Датчик влажности и температуры Советский патент 1983 года по МПК G01N25/56 

(54) ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ

Изобретение относится к техническим измерениям,а конкретно к датчи кам для измерения Одновременно f&Jsieратуры и влажнооти газов.

Известны устройства, предназначенные для измерения влс1жности на ос нова, угольных, пьезокварцевых, алюминиевооксидных и других абсорбцисжных электрических датчиков влажности. Но угольные датчики имеют гистерезис при измерениях, пьезокварцевые - чувствительны к изменению плотности и вязкости газов, к пыли и механическим загрязнениям, дороже, алиялиниевооксидные - недостаточно стабильны.

Известен датчик относительной влажности, в котором на керамической подложке расположены металличес кие электроды, соединенные пористой пленкой FjiOj 1 .

Однако этот датчик обладает физическими свойствами, приводящими к быстрому старению пленки.

Наиболее близким к предлагаемсяну является датчик влажности и температуры, содержащий тонкопленочный конденсатор, выполненный в виде подложки из пористого диэлектрика с нанесенными на нее металлическими электродами, один из которых выполнен в

виде сопротивления в форме меандра 2.

Недостатками известного устройства являются малые пределы измерений, потеря свойств датчика со временем, низкая чувствительность.

Цель изобретения - расширение пределов измерений влажности при однов Q ременном измерении влажности и температуры, а также сохранение чувствительности при малых габаритах.

Поставленная цель достигается т&л, что в датчике влажности и темпера45 ТУЕ содержащем тонкопленочный конденсатор, выполненный в виде подложки из пористого диэлектрика с нанесенными на нее металлическими электродами, один из которых представляет

20 собой сопротивление и имеет форму меандра, в сопротивлении расстояния между полосками не превышают размеров агломератов воды на поверхности диэлектрика и имеют различные величины, а толщина диэлектрика тонко25пленочного конденсатора превышает размеЕи пор в диэлектрике, в качестве которого может быть «спользован пористый кремний.

При измерений одновременно влаж30ности и температуры необходимо использовать мостовую схему измерений, где в одно плечо включен эталонный герметизированный датчик, а в другое измерительный, причем оба изготавливают одновременно, поэтому они идентичны.

Конструкция датчика вла жности и температуры дает возможность использовать возможности интегральной технологии при изготовлении датчиков, такие как воспроизводимость, малые. габариты, низкая себестоимость и высокое разрешенче, достигнутое по ширине полосок металлической пленки и расстоянию между ними - до 10 нм (или 0,01 мк), что ранее было невозможно.

На чертеже изображен датчик влажности и температуры.

Датчик влажности и температуры содержит тонкопленочный конденсатор, выполненный в виде подложки 1 из пористого диэлектрика с нанесенными на нее металлическими электродами .2 и 3 Электрод 3 выполнен в виде сопротивления в форме меандра. Расстояние а между полосками Не превышает размеров агломератов воды на поверхности подложки - диэлектрика, а шаг меандра сопротивления переменный, т.е. расстояние а между полосками переменная величина. Толщина диэлектрической подложки превьвиает размеры пор в диэлектрике.

Расстояние а изменяется от 0,01 До 10 мкм, ширина полоски меандра лежит в пределах 0,1-0,5 мм, высота полосы меандра 20 мкм. Меандр снабж€ш контактными площадками 4.

Примером изготовления датчиков М1эжет служить предлагаемая технология, по которой пластины Р-кремния с ориентацией (III) толщиной 0,3 мм подготавливаются к напылению стандартным способом и на них методом вакуумного напыления с одной стороны наносится контактный металл, алюминий толщиной 0,8-2 мкм, который затем вжигается при 520С в течение 1015 мин в потоке водорода, прошедшегго палладиевую очистку с точкой росы для создания хорошего омического контакта. Затем наносится слой олово-индий толщиной несколько десятков микрон методом электрохимического осаждения ,в электролите соответствующего состава для последующей пайки к корпусу или теплоносителю для измерения температуры, которая измеряется по показанию герметизированной половин датчика. Затем производится формирование диэлектрического слоя пористого кремния способом электрохимической анодной обработки монокристаллического кремния в растворе 10-15%-ной плавиковой кислоты при 23Cf катодом в котором служит

платиновый электрод, а плотность тока 5-300 шА/см.

Толщина образукицегося диэлектрика больше размеров пор, имеющих диаметр на поверхности 1-10 нм, в объеме до 1 мкм.

В зависимости от требуемого быстродействия и чувствительности толщина выбирается в пределах 5-100 мкм. Следующей операцией служит напыление

0 слоя платины в вакууме поверх полугченного слоя пористого кремния. Толщина платины 10,0-100,0 нм. После этого напыляются контактные площадки из никеля толщиной 0,4-0,5 мКМ,

5 методом фотолитографии создается соответствующая чертежу топология сопротивления с переменным шагом а от 0,01 до 10 мкм и шириной полосок Ь, которые одновременно являются

Q верхними обкладками конденсатора.

Измерение относительной влажности газов основано на явлении абсорбции влагочувствительной пленкой пористого кремния молекул воды, а так5 же образованием на поверхности ди-

электрика между полосками меандра .агломератов (образований) воды, в результате чего, изменяется геометрический путь тока из-за закорачива ния отдельных меандров при соизме римости их размеров с размерами между полосками. Все это приводит к измерению величины полного сопротивления иэмерительньх элементов в отличие от эталонных герметизированных

9 частей, чем достигается независимость -показаний датчика от температуры окружающей среды.

Влагочувствительность датчика достаточно широка от долей процента до

0 100% влажности, так как по мере увеличения влажности начинают рабо- ; тать болие ижрркие части меандра и более крупные поры в диэлектрике конденсатора, что позволяет работать

5 без насыщения датчика.

Преимуществами предложенного тонкопленочного датчика влажности и температуры по сравнению с известной конструкцией являются его механическая прочность, возможность получения взаимозаменяе1«ых датчиков, его высокая стабильность, малые габариты и инерционность.

Формула изобретения

целью расишрения диапазона измереНИИ влажнсхзти при одновременном нзмерении влажности и температуры, в сопротивлении расстояния между полосками не превышают размеров агломератов воды на поверхности диэлектрика и имеют различные величины, а толщина диэлектрика тонкопленочного конденсатора превьшает размеры лор в диэлектрике.

Источники информсщнй, 5 ;принятые во виюлаиие при aticcnepTHse

ll Патент США I 3916367, кл. Н 01 С 13/00, опублик. 1978,

2. Авторское свидетельство СССР 51873, кл. G 01 N 25/.56, 1965 , (прототип).