СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДАТЧИКА ВЛАЖНОСТИ Российский патент 2016 года по МПК G01N27/00 B82B1/00 

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к области использования графена (мультиграфена), и может найти широкое применение для изготовления датчиков влажности резистивного типа, применяемых в радиотехнике, электронной промышленности, энергетике и сельском хозяйстве.

Известны влагочувствительные композиции на основе полимеров для изготовления датчиков влажности емкостного типа. Так, например, влагочувствительные композиции на основе ацетата целлюлозы используются в преобразователе “Hygrocor” фирмы CORECT. Диапазон измерения влажности 0-98% при 0-70°C, при относительной влажности воздуха 75% погрешность не более 2%, гистерезис 1%.

Известна также полимерная влагочувствительные композиция на основе полиамида, используемая в преобразователе “Testoterm” фирмы “Hygrotest” (ФРГ). Диапазон измерений влажности 0-98%, однако, при средней погрешности 2% измерения при влажности более 90% имеют погрешность до 6%.

Основным недостатком известных емкостных преобразователей является существенное увеличение погрешности измерений в атмосфере с высокой влажностью.

Наиболее близким по технической сущности является ПОЛИМЕРНАЯ ВЛАГОЧУВСТВИТЕЛЬНАЯ КОМПОЗИЦИЯ ДЛЯ ДАТЧИКОВ ВЛАЖНОСТИ РЕЗИСТИВНОГО ТИПА (патент РФ №2109778), включающая азотсодержащий полимер следующего состава, мас. %: полиамидоимид - 52,3-58,5; полиэтиленгликоль - 41,5-47,7.

Недостатком прототипа является невысокая стабильность работы датчика при больших перепадах влажности и температуры окружающей среды, а также высокая инертность датчика.

Цель изобретения состоит в обеспечении стабильности датчика при работе в условиях широкого диапазона изменения влажности и температуры.

Технический результат состоит в снижении погрешностей измерения, уменьшении инертности датчика, линеаризации его характеристики, обеспечении высокой температурной стабильности и высокой надежности использования.

Технический результат достигается за счет того, что на медную фольгу осаждают пленку мультиграфена, вырезают из нее заготовку датчика нужной формы и размеров, к местам расположения контактов на заготовке приклеивают стеклянную подложку и сверху наносят защитный слой требуемой формы, стравливаю фольгу с незащищенных участков, промывают и высушивают заготовку, а также удаляют защитный слой с электрических контактов.

С использованием способа получают датчик влажности, который содержит подложку, на которой установлена мультиграфеновая пленка, заданной формы и размеров, на окончаниях которой размещена пара электрических контактов. Пленка мультаграфена содержит, по крайней мере, 2 слоя графена. Подложка может быть выполнена из стекла.

Новизной изобретения является использование мультиграфена (не менее 2 слоев графена) для измерения влажности окружающей среды, которое обеспечивает прямо пропорциональную характеристику изменения сопротивления датчика в зависимости от изменения влажности окружающей среды и высокую температурную стабильность.

Краткое описание чертежей

На Фиг. 1 представлен общий вид датчика измерения влажности. На Фиг. 2 показан график относительного изменения активного сопротивления датчика в зависимости от относительной влажности (RH) и времени.

Осуществление изобретения

Датчик содержит подложку 1, на которой размещена мультиграфеновая пленка 2. На окончаниях пленки установлены металлические электроды 3.

Для изготовления датчика на медную фольгу из газовой среды методом CVD осаждают несколько слоев графена, по крайней мере, 2 слоя. Для снижения чувствительности датчика количество слоев увеличивают.

Далее из фольги вырезают требуемой формы и размеров заготовку датчика.

После этого окончания заготовки, к которым будут крепиться электрические контакты, приклеивают к стеклянной подложке и сверху наносят защитный слой.

Процесс изготовления датчиков заканчивается стравливанием фольги с незащищенных участков заготовки, ее промывкой, высушиванием и удалением защитного слоя с электрических контактов.

Изготовленный датчик (см. Фиг. 1) размещают в среде, в которой необходимо контролировать влажность, и подводят к электрическим контактам 3 ток заданной силы. В зависимости от текущей влажности окружающей среды устанавливается определенное сопротивление мультиграфеновой пленки 2, которое изменяет значение тока, и по которому определяют абсолютное или относительное значение влажности окружающей среды.

В 2014 году Заявитель изготовил мультиграфеновый датчик влажности и провел ряд экспериментов, при осуществлении которых в качестве эталона использовался промышленный датчик влажности HIH-4000 производства компании «Honeywell».

В результате экспериментов получен график (см. Фиг. 2) относительного изменения активного сопротивления датчика в зависимости от относительной влажности (RH) и времени, за R₀ взято значение сопротивления датчика при RH 20%.

При проведении экспериментов Заявителем установлено, что:

- при увеличении количества слоев мультиграфена чувствительность датчика падает;

- с увеличением влажности сопротивление мультиграфеновой пленки возрастает;

- датчик сохраняет работоспособность после намокания;

- датчик имеет высокую стабильность при значительных вариациях температуры окружающей среды.

Положительными техническими эффектами от использования изобретения являются:

- простота изготовления датчиков, невысокая стоимость изготовления и возможность налаживания массового серийного производства;

- повышение точности измерения благодаря обеспечению высокой температурной стабильности;

- снижение инертности датчика, выражающейся в повышении оперативности измерения влажности окружающей среды;

- линеаризация характеристики датчика в результате обеспечению прямо пропорциональной зависимости сопротивления датчика от влажности окружающей среды;

- высокая надежность использования датчика, в т.ч. после намокания, датчик продолжает работать.

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к области использования графена (мультиграфена) и может найти широкое применение для изготовления датчиков влажности резистивного типа, применяемых в радиотехнике, электронной промышленности, энергетике и сельском хозяйстве. Способ изготовления датчика влажности заключается в том, что на медную фольгу осаждают пленку мультиграфена. Затем вырезают из нее заготовку датчика нужной формы и размеров, к местам расположения контактов на заготовке приклеивают стеклянную подложку и сверху наносят защитный слой требуемой формы. Далее стравливают фольгу с незащищенных участков, промывают и высушивают заготовку, а также удаляют защитный слой с электрических контактов. Техническим результатом является простота изготовления датчика, высокая точность и стабильность работы, линейная характеристика датчика, а также высокая надежность использования. 2 ил.

Способ изготовления датчика влажности, характеризующийся тем, что на медную фольгу осаждают пленку мультиграфена, вырезают из нее заготовку датчика нужной формы и размеров, к местам расположения контактов на заготовке приклеивают стеклянную подложку и сверху наносят защитный слой требуемой формы, стравливают фольгу с незащищенных участков, промывают и высушивают заготовку, а также удаляют защитный слой с электрических контактов.