Емкостный датчик влажности Советский патент 1976 года по МПК G01N27/22 

(54) ЕМКОС-ТНЫЙ ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ Цель изобретения - повышение чувствительности и снижение инерционности датчика влажности. Достигается это тем, что гигрочувствитепьный слой выполнен в виде гетероструктуры, состоящей из двух слоев различных по электрофизическим свойствам широкозонных высокоомных полупроводников, верхний из которых представляет послойную структу ру с плотной и пористой областями, толщины которых взяты в соотношении 2:1, при этом толщина нижнего слоя и плотной области верхнего слоя равна соответствующей толщине области объемного заряда в каждом полупроводнике, причем верхний электрод имеет ячеистую структуру, а отношение минимальной толщины слоя верхнего электрода к его максимальной толщине составляет 1:4 а отношение площадей тонкой и толстой его частей равно 5:1. На чертеже изображен датчик влажности. Он состоит из подложки 1, выполняющей функции нижнего электрода и нижнего токоввода, гигрочувствительного слоя, представляющего собой гетероструктуру, состоящую из двух полупроводниковых слоев, нижнего слоя 2 и верхнего слоя, имеющего плотную область 3 и пористую область 4, верхнего электрода 5 и верхнего токоввода 6. В схеме влагомера датчик влажности выполняет роль нелинейной емкости, функциональ но зависящей от влагосодержания датчика. Полная емкость датчика влажности будет со стоять из статической емкости плоского ко денсатора, представляющего металлические электроды 1, 5 и слой диэлектрика, гигрочувствительный слой 2, 3, 4, и динамической емкости гетероструктуры, создаваемой на границе нижнего слоя и плотной области верхнего слоя, которая пропорциональна кон центрации ионизированных дефектов, т.е. (-Мг/и-и,) где Nj,N2 - концентрация ионизированных дефектов (примесей) соответственно в слое 2 и слое 3: и - напряжение смещения; контактная разность потенциалов. При заданных значениях электрофизических параметров полупроводниковых слоев гетероструктуры максимальное изменение динамической емкости гетероструктуры от ее Благосодержания, как показали теоретические расчеты и результаты эксперимента, наблюдается в случае, когда толщина нижнего слоя 2 гетероструктуры и плотной области 3 верхнего слоя равна соответствующей толщине области объемного заряда в каждом полупроводнике. При помещении датика влажности в парогазовую среду происходит миграция паров влаги через верхний лектрод вглубь гигрочувствительного слоя. Статическая емкость датчика влажности бует равна (,), (2) где S - эффективная площадь верхнего электрода 5; диэлектрическая проницаемость слоев 2, 3, 4 и воды. Из выражения (2) видно, что статическая емкость датчика влажности существенно зависит от составляющей / /2 „ , т.е. от объемного содержания воды, причем возрастает с ее увеличением, посколькуЕ- 81 Е Д м Поэтому для увеличения объемного содержания влаги в межэлектродном промежутке датчика верхний слой гетероструктуры выполнен из двух областей: плотной области 3, обеспечивающей высокую динамическую емкость гетероструктуры, и пористой области 4. С увеличением толщины пористой области 4 возрастает объемная доля влаги гигрочувствительного слоя, что приводит к росту статической емкости датчика влажности, однако, это, в свою очередь, приводит к общему возрастанию диэлектрического слоя конденсатора и снижению его полной емкости, а также ухудшению структурной связи между статической и динамической емкостями. Оптимизация выражения (2) показывает, что статическая емкость датчика влажности наиболее эффективно изменяется с ростом его влагосодержания, когда отнощение толщины пористой области 4 к толщине плотной области 3 верхнего слоя гетероструктуры составляет 2:1. Для достижения поставленной цели и с учетом особенностей работы датчика влажности его компоненты реализованы следующим образом. Подложка 1 выполнена из материала, обладающего высокой электропроводностью и стойкостью к агрессивным средам, например, из алюминия. Гигрочувствительный слой выполнен гетероструктурой иг щирокозонных, высокоомных полупроводников ZnSe п -типа проводимости и ZttTe р -типа проводимости. Эти материалаы выбраны по следующим причинам: во-первых, как ZnSe , так и ZnTe обладают высокими диэлектрическими свойствами (для Zn5ep 10 -lO ом.см tgfif O.Oe; ,6 для ZnTe р 1О-1О® ом см; ,l; Е 10); во-вторых, упомянутые материалы, как полупроводники, обладают низкой соответственной концентрацией дефектов Ng i 10 см. Для такой гетероструктуры толщина нижнего слоя 2 ZnSe составила 1,2 мкм и плотной области 3 верхнего слоя ZfiTe гетер ос труктуры 0,5 мкм. Верхний электрод 5 датчика влажности так же, как и нижний выполнен из материала, .также обладающего высокой электропроводностью и химической стойкостью к агрессив ным средам, например, из алюминия. Во вре мя работы датчика пары влаги мигрируют в его гигрочувсТРИтельный слой через слой верхнего электр а 5 по всей поверхности. Миграция влаги сквозь слой нижнего электрода 1 отсутствует, поскольку толщина этого слоя более чем на два порядка превышает толщину слоя верхнего электрода 5. Инерционность датчика влажности определяется,- главным образом, скоростью миграции влаги через слой его верхнего электрода 5. Поэтому для снижения инерционности датчик верхний электрод 5 выполнен в виде ячеис- той структуры. С уменьшением толщины сло верхнего электрода 5 инерционность датчика снижается, однако, при этом значительно воз растает омическое сопротивление этого элек трода, что приводит к возрастанию диэлектрических потерь в датчике, снижению его чувствительности и неустойчивой работе. Изготовление верхнего электрода 5 ячеистой структурой позволяет существенно снизить инерционность датчика вследствие того, что влага будет мигрировать, главным образом, через более тонкие участки верхнего электрода 5, а металлическая сетка электрода, обладающая более высокой толщиной, снижа- ет омическое сопротивление верхнего электрода 5 и существенно повышает надежность его работы. Кроме того, с уменьщением тол щины верхнего слоя растет суммарная масса влаги, мигрирующая вглубь гигрочурствительного слоя, что ведет к повышению чувствительности датчика, В результате эксперимента было найдено, что наиболее оптимальным условием получения низкой инерционности датчика и высоких электрических свойств верхнего электрода 5 является изготовление его такой структуры, когда его минимальная толщина составпяет 0,5 мкм, максимальная 2 мкм, т.е. отношение минимальной и максимальной толщины верхнего электрода 5 составляет 1:4, а отношение площадей тонкой и толстой его частей равно 5:1. Нижним токовводом датчика влажности является пассивная область нижнего электрода 1. Верхний токоввод выполнен из никеля толщиной 0,3 мкм. Он соединен с верх ним электродом с помощью термокомпресси- энной сварки или путем склеивания специаль .ным составом, содержащим 40% клеящего вещества и 60% мелкодислерс.эго металлического порошка. В схеме прибора для измерения вл-гжно- сти парогазовых сред i,влагомера) датчик влажности включается в одно из алеч высокочувствительного задающего моста переменного тока. При воздейстБий парогазовой среды происходит миграция влаги через слой верхнего электрода 5 внутрь гигрочузствительного слоя, в результате чего наступает изменение (приращение) полной емкости датчика влажности вследствие повышения суммарной диэлектрической проницаемости Z-t-AZ и роста динамической емкости гетероперехода за счет приращения дЭ/ди , т.е. с-с +с -Со„-ьС -t-При изменении емкости датчика влажности происходит разбалансировка моста и появление на входе регистрирующего прибора сигнала тем больщего по величине, чем больше разбалансировка моста, которая прямопропорциональна изменению полной емкости датчика. Технико-экономические преимущества датчика влажности в сравнении с прототипом следующие. Чувствительность предлагаемого датчика влажности, выполненного структурой AQ Zh5e-ZMTe-Дб по сравнению с датчиком (прототипом), представляющим структуру , повышается более, чем в четыре раза. Это вызвано тем, что емкость предложенного датчика изменяется с изменением его влагосодержания вследствие одновременного изменения статической и динамической емкости. У предложенного датчика влажности средняя чувствительность, как показали эксперименты, равна б8пф/%Х в диапазоне 10-100% насыщения влагой, в то время у прототипа чувствительность не превышает 16 пф/% X , благодаря выполнению верхнего электрода ячеистой структуой и выбора оптимальных размеров ячеек. Инерционность датчика снижается более, чем в три раза. Датчик влажности, выполненный на осное гетероструктуры, обладает инерционнотью, не превышающей 9 сек, а инерционость прототипа 28 сек. Формула изобретения Емкостный датчик влажности, содержаий нижний электрод, гигрочувствительный лой, выполненный с пористой пленкой, верхий электрод и токовводы, отличаюийся тем, что, с целью повышения увствительности и снижения инерционности.

гигрочувствительный спой выполнен в виде гетероструктуры, состоящей из двух слоев различных по электрофизическим свойствам широкозонных высокоомных полупроводников, верхний из которых представляет послойную структуру с плотной и пористой областями толщины которых взяты в соотношении 2:1, при этом толщина нижнего слоя и плотной области верхнего слоя равна соответствующей толщине области объемного заряда в каждом полупроводнике, причем верхний электрод имеет ячеистую структуру, а отнощение

минимальной толщины слоя верхнего электрода к его максимальной толщине составляет 1:4, а отношение площадей тонкой и толстой его частей равно 5:1.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

1.Берлинер М. А., Измерения влажности, М., 1973 г., 71-88.

2.Патент Франции № 2160095, G 01 N 27/00, 1973.

3.Патент США № 3574681, 117-213, 1971 (прототип).