Емкостный датчик Советский патент 1982 года по МПК G01N27/22 

1

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в в системах кситррля и в устройствах автомагического управления.

Известен емкостный датчик влажности, гигрочувствительный слой которого выполняется в вице гетероструктуры, состо5Ш1ей из двух слоев различных по электрофизическим свойствам широкозонных высокоомных полупроводников. Верхний слой гетероструктуры представляет собой послойную структуру с плотной и пористой областями, толщины которых взяты , в соотношении 2:1. Толщина нижнего слоя гетероструктуры и плотной области верхнего слоя равна соответствующей толщине области объемного заряда в каждом полупроводнике. Верхний электрод имеет ячеистую структуру, что позволило снизить инерционность датчика до 9 с, гак как влага мигрирует главным образом через более тонкие участки верхнего электрода, а металлическая сетка электрода, обладающая большей толщиной.

снижает омическое сопротивление верхнего Электрода и повышает надежность его работы 1 .

Данный датчик обладает достаточно высокойчувсгвительносгью, но у него отсутствует чувсвительность к плсяцади воздействия потока влажного газа. Емкость датчика зависиг ог объемного содержания влаги в межэлекгродном промежутке..

Ближайшим техническим рещением к изобретению является тонкопленочный адсорбционный датчик влажности, содержащий гигрочувствигельный диэлекгрик, с противоположных сторон которого нанесены электроды, один из которых несплошной. Токовводы датчика подсоединены к двум нижним алюминиевым электродам, гак что чувствительный элемент датчика представляет собой два идентичных, последовательно соединенных конденсаго ра, имеющих общим электродом пористый слой алюминия. Емкость такого конденсатора определяется влагосодержанием

диэлектрического слоя . Датчик является высокочувствительным 2 ,

Инерционность цатчика, определяемая как время установления значения екйсости при внесении датчика в сосуд с воздухом заданной влажности, составляет нескольк секунд. Однако последовательное соединение двух конденсаторов в датчике позволяет реализовать высокую чувствительность только при поглощении влаги всем объемом влагочувствительного диэлектрика. При воздействии потоком влаги на слой , расположенный, например, над одним из нижних алюминиевых электродов, емкость соответствующего тонкопленочного конденсатора увеличивается но емкость датчика в целом определяется наименьшей величиной соединенных емкостей, и, следовательно, приращение емкости всего датчика минимально. Таким .образом, конструкция известного датчика не позволяет реализовать чувствительность датчика к площади воздействия потека влажного газа.

Целью изобретения является повышени чувствительности датчика влажности к площади воздействия при одновременном увеличении быстродействия и росте добротности с увеличением интенсивности воздействия.

Цель достигается тем, что в амкостном датчике влажности, содержащем гигрочувствительный диэлектрик, с противоположных сторон Которого нанесены электроды, один из которых несплошной, диэлектрик выполнен двуслойным, состоящим .из негигрочувствительной диэлектрической пластины и гигрочувствительного полупроводникового или диэлектрического слоя толщиной порядка радиуса экранирования, а несплошной электрод, расположенный на гигрочувствительном слое, выполнен в виде металлического контура (например, в форме гребенки), со встроенной в него системой металлических осТ ровков, отделенных от частей контура гигрочувствительным слоем.

На фиг. 1 приведен емкостный датчик влажности, общий вид; на фиг. 2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг. 3 - эквивалент ная схема устройства.

Датчик влажности состоит из диэлектрической пластины 1, выполненный из материала, не меняющего своих свойств во влажной среде. На диэлектрическую пластину нанесен тонкий слой 2 гигрочувствительного полупроводника или диэлектрика. Для обеспечения необходимого быстродействия и высокой чувствительности толщина гигрочувствительного слоя не должна превьпдать величину радиуса зк- ранирования в используемом полупроводниковом материале. На противоположную

сторону диэлектрической пластины на несен сплошной нижний электрод 3. Несплошной верхний электрод 4 нанесен поверх гигрочувствительного слоя 2. Токовводы 5 и 6 подсоединены к верхнему и нижнему электродам.

Несплошной электрод выполнен в виде гребенчатого электрода, в промежутках которого нанесены проводящие островки. При воздействии потока влажного газа

непосредственно на поверхность гигро- чувствительного слоя сопротивление гигрочувствительного слоя уменьшается, и отдельные проводящие островки электрически соединяются межцу собой и с ос-

новным электродом, представляющим собой металлический контур, выполненный, например, в форме гребенки. Нанесение проводящих островков имеет целью снизить требуемый уровень влажности для

создания сплошного .низкоомного электрода с площадью, превышающей площадь гребенчатого электрода на величину площади проводящих островков и открытой поверхности гигрочувствительного слоя.

Работа датчика может быть пояснена с помощью эквивалентной схемы, приведенной на фиг. 3. Здесь начальная емкость датчика влажности, определяемая толщиной и диэлектрической проницаемостью диэлектрической пластины I и площадью гребенчатого электрода 4;И сопротивление между встречными штырями гребенчатого электрода,- складывающееся из сопротивлений гигрочувствительных прослоек между проводящими островками и малыми значениями сопротивлений этих проводящих островков; С (S ) - емкость, зависящая от площади воздействия потока влажного газа и появляющаяся при уменьшении сопротивления гигрочувствительного слоя под влиянием влаги. Величина емости С (S) определяется свойствами диэлектрическойпластины 1 и площадью, занимаемой гигрочувстви- тельным слоем, подвергающимся воздействию потока влажного газа, с нанесенными на него проводящими островками.

В рассматриваемой конструкции первоначальная емкость С и емкость С(в), зависящая от площади воздействия S по формуле плоек or о конденсатора

ВД).-,

гце 6 - аиэлектрическая проницаемость; сЭ - толщина диэлектрической подложки,

соединены параллельно. Поэтому общая емкость, равная сумме емкостей

o5uJ. VCL5),

меняется пропорционально площади воздействия потока влажного, газа.

Сущность работы предлагаемого датчика влажности заключается в изменении поверхностного сопротивления гигрочувствительного слоя полупроводника или диэлектрика под действием влаги. Поэтому для уменьщения инерционности гигрочувствительный слой надо делать как можно тоньше. Но для обеспечения достаточно высокой чувствительности толщина слоя должна быть не меньще величины радиуса экранирования в используемом полупроводниковом материале.

Другая особенность предлагаемого датчика связана с тем, что поглощение влаги происходит не в межэлектроцном пространстве, а на поверхности конденсатора. С увеличением влагосодержания в гигрочувствительном слое не происхоцит замыкания верхнего и нижнего электродов по влаге, поэтому диэлектрические потери с увеличением влажности в слое диэлектрика не увеличиваются. Напротив, вследствие уменьшения поверхностного сопротивления одного из электродов датчика, как показал расчет, происходит рост добротности датчика с увеличением доли поглощения влаги.

Удельное сопротивление гигрочувствительного полупроводникового слоя зависит от процентного содержания поглощенной влаги. Полное сопротивление полупроводниковой пленки между отдельными частями несплошного электрода определяется наряду с удельным сопротивлением пленки рассто5шием между электродами, конфигурацией электродов. Путем нанесения островков из низкоомного материала на полупрсжоцниковую пленку в пространстве между электродами снижается урйвень требуемой влажности для создания определенной величины полного сопротивления пленки. Это явление можно легко объяснить, если, например, разделить поверхность полупроводниковой пленки на N частей и представить полное сопротивление пленки R в виде суммы сопротивлений t отдельных частей:

г.

Включение участков с малым сопротивлв-нием Г приводит к снижению всего сопротивления пленки Q Б целом. Таким образом, соответствующей конфигурацией верхнего электрода можно; установить надлежащий порог чувствительности ем костного датчика влажности.

Разработанный датчик может быть использован также для регистрации светового потока, потока ускоренных электронов A излучений или других поверхностных воздействий, если вместо . гигроскопического слоя на диэлектрическую подложку нанести полупроводниковый слой, сопротивление которого уменьшается поц действием соответствующего вида излучения.

Фор м.у ла изобретения Емкостный датчик влажности, содержащий гигрочувствительный диэлектрик, с противоположных сторон Которого нанесены электроды, один из которых несплошной, отл ичающийся тем, что, с,целью повьшения чувствительности при одновременном увеличении быстродействия и росте добротности, диэлектрик выполнен двуслойным, состоящим из негигрочувствительной диэлектрической пластины и гигрочувствительного полупроводникового или диэлектрического слоя толщиной порядка радиуса экранирсюания, а несплошной электрод, расположенный на гигрочувствительном слое, выполнен в вице металлического контура со в1стро

енной в него системой металлических островков, отделенных от частей контура гигрочувстви тельным слоем.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Авторское свидетельство .СССР

N 536425, кл. Сд OlN 27/22, 1975.

2, Котельников В. А., Петров Ю. И. Тонкопленочный адсорбционный датчик влажности. - Приборы и техника эксперимента, 1973, № 6, 182-184 (прототип).