RU223725U1

RU223725U1 - MOISTURE SENSOR

Info

Publication number: RU223725U1
Application number: RU2023125162U
Authority: RU
Inventors: Максим Александрович Белых; Дмитрий Сергеевич Пермяков; Андрей Владимирович Строгонов
Filing date: 2023-09-29
Publication date: 2024-02-29

Abstract

Полезная модель относится к физике полупроводников и полупроводниковых приборов, а точнее к физике поверхности полупроводников и наноматериалов. Технический результат, который может быть получен при осуществлении полезной модели, заключается в повышении чувствительности датчика для измерения влажности воздуха. Для повышения чувствительности датчика предусмотрены проводящие дорожки в виде ВШС (встречно-штыревой структуры), которые подключены к омическим контактам. The utility model relates to the physics of semiconductors and semiconductor devices, and more precisely to the physics of the surface of semiconductors and nanomaterials. The technical result that can be obtained by implementing the utility model is to increase the sensitivity of the sensor for measuring air humidity. To increase the sensitivity of the sensor, conductive tracks are provided in the form of an IDS (interdigital structure), which are connected to ohmic contacts.

Description

Полезная модель относится к физике полупроводников и полупроводниковых приборов, а точнее к физике поверхности полупроводников и наноматериалов.The utility model relates to the physics of semiconductors and semiconductor devices, and more precisely to the physics of the surface of semiconductors and nanomaterials.

Полезная модель наиболее эффективно может быть использована для определения относительной влажности воздуха, во многих производственных отраслях, таких как пищевая, автомобильная, электронная и др.The utility model can be most effectively used to determine relative air humidity in many manufacturing industries, such as food, automotive, electronics, etc.

Известен датчик влажности, величина электрического сопротивления которого меняется в соответствии с влажностью окружающей среды, при этом на его поверхность нанесена защитная пленка из силиконовой смолы (патент США №4473813, G01N 27/12, 1984 год).A humidity sensor is known, the value of the electrical resistance of which changes in accordance with the humidity of the environment, while a protective film of silicone resin is applied to its surface (US patent No. 4473813, G01N 27/12, 1984).

Недостатком известного датчика является большая инерционность и длительность установления равновесных значений влажности газов вследствие диффузионных затруднений проникновения паров воды через защитную пленку к чувствительному слою, а также большое время релаксации.The disadvantage of the known sensor is the long inertia and duration of establishing equilibrium values of gas humidity due to diffusion difficulties in the penetration of water vapor through the protective film to the sensitive layer, as well as a long relaxation time.

Наиболее близким аналогом по совокупности признаков является «Датчик влажности» патент РФ №1071100, G01N 27/22 (1995.01) H01L 29/41 (1995.01), содержащий корпус, защитную сетку, диэлектрической подложки, чувствительный элемент, выполненный из слоя оксидного полупроводника, а именно из окиси цинка, с двумя контактами на противоположных поверхностях, один из которых омический, второй контакт с барьером Шоттки, площадью изменяющейся в диапазоне (0,1-1) ⋅ 10^-4 см², сформированном на оксидном полупроводнике из окиси цинка.The closest analogue in terms of the set of features is the “Humidity Sensor” RF patent No. 1071100, G01N 27/22 (1995.01) H01L 29/41 (1995.01), containing a housing, a protective grid, a dielectric substrate, a sensitive element made of an oxide semiconductor layer, and namely, zinc oxide, with two contacts on opposite surfaces, one of which is ohmic, the second contact with a Schottky barrier, the area varying in the range (0.1-1) ⋅ 10 ^-4 cm ² , formed on an oxide semiconductor made of zinc oxide.

Недостатком аналога является необходимость использования контакта с барьером Шоттки, что усложняет технологию производства и увеличивает себестоимость датчика, а также низкая чувствительность датчика.The disadvantage of the analogue is the need to use contact with a Schottky barrier, which complicates the production technology and increases the cost of the sensor, as well as the low sensitivity of the sensor.

Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в повышении чувствительности датчика, упрощении технологии производства, снижении себестоимости.The problem that the utility model is aimed at solving is to increase the sensitivity of the sensor, simplify the production technology, and reduce costs.

Технический результат, который может быть получен при его осуществлении полезной модели, заключается в повышении чувствительности датчика влаги. Для повышения чувствительности датчика предусмотрены проводящие дорожки с ВШС (встречно-штыревой структуры), которые подключены к омическим контактам.The technical result that can be obtained by implementing the utility model is to increase the sensitivity of the moisture sensor. To increase the sensitivity of the sensor, conductive tracks with IDS (interdigital structure) are provided, which are connected to ohmic contacts.

Полезная модель поясняется фиг. 1 и фиг. 2, где:The utility model is illustrated in Fig. 1 and fig. 2, where:

На фиг. 1 изображен датчик влаги в разрезе:In fig. Figure 1 shows a cross-section of the moisture sensor:

1 - гибкая полимерная диэлектрическая подложка;1 - flexible polymer dielectric substrate;

2 - омические контакты;2 - ohmic contacts;

3 - проводящие дорожки с ВШС;3 - conductive tracks with VHS;

4 - корпус датчика;4 - sensor housing;

5 - контакты для подключения;5 - contacts for connection;

6 - защитная сетка;6 - protective mesh;

7 - гибкие провода.7 - flexible wires.

Датчик состоит из корпуса - 4, гибкой полимерной диэлектрической подложки - 1, четырех омических контактов - 2 из углерода, нанесенных лазером, расположенных на противоположных сторонах подложки в одной плоскости, и проводящих дорожек с ВШС - 3. Поверх проводящих дорожек с ВШС - 3 и полимерной диэлектрической подложки - 1 нанесен влагочувствительный слой из оксида цинка, толщиной 450 нм, а сама толщина пленки зависит от количества напыленных слоев, в данном случае нанесено 15 слоев, а толщина одного слоя напыления пленки 30 нм. В качестве гибкой полимерной диэлектрической подложки - 1 используется каптон с длиной и шириной от 1 до 50 мм и толщиной от 100 до 120 мкм. Поверх проводящих дорожек с ВШС - 3 расположено напыление пленки оксида цинка (не изображена на фигурах в связи с ее толщиной, не видимой глазу). Выжигание омических контактов - 2 лазером позволяет получить достаточно прочную проводящую дорожку - 3. Для подключения датчика к мосту Винстона предусмотрены два гибких провода - 7 с контактами для подключения датчика - 5. Для защиты чувствительного элемента, включающего омические контакты - 2; проводящие дорожки - 3 и влагочувствительный слой из оксида цинка, от попадания пыли и грязи датчик закрыт защитной сеткой - 6.The sensor consists of a housing - 4, a flexible polymer dielectric substrate - 1, four ohmic contacts - 2 made of carbon, deposited by a laser, located on opposite sides of the substrate in the same plane, and conductive tracks with VShS - 3. On top of conductive tracks with VShS - 3 and polymer dielectric substrate - 1, a moisture-sensitive layer of zinc oxide with a thickness of 450 nm is applied, and the thickness of the film itself depends on the number of sputtered layers, in this case 15 layers are applied, and the thickness of one layer of sputtered film is 30 nm. Kapton with a length and width from 1 to 50 mm and a thickness from 100 to 120 microns is used as a flexible polymer dielectric substrate - 1. A zinc oxide film is deposited on top of the conductive tracks with VShS-3 (not shown in the figures due to its thickness, which is not visible to the eye). Burning out ohmic contacts - 2 with a laser allows you to obtain a fairly strong conductive path - 3. To connect the sensor to the Winston bridge, two flexible wires are provided - 7 with contacts for connecting the sensor - 5. To protect the sensitive element, including ohmic contacts - 2; conductive tracks - 3 and a moisture-sensitive layer of zinc oxide; the sensor is covered with a protective mesh to prevent dust and dirt from entering - 6.

На фиг. 2 представлен пример изготовленных проводящих дорожек с ВШС и омических контактов без корпуса. На одной гибкой полимерной диэлектрической подложке выбранного размера можно разместить несколько проводящих дорожек с ВШС. Длина и ширина ВШС от 1 до 15 мм. Ширина проводников и шаг, составляют от 10 до 150 мкм.In fig. Figure 2 shows an example of manufactured conductive tracks with VLS and ohmic contacts without a housing. On one flexible polymer dielectric substrate of the selected size, several conductive tracks with VLS can be placed. The length and width of the VShS is from 1 to 15 mm. The width of the conductors and the pitch range from 10 to 150 microns.

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ:DESCRIPTION OF WORK:

Работа датчика влаги основана на изменении проводимости пленки оксида цинка под действием влаги (с ростом относительной влажности воздуха растет проводимость чувствительного слоя). Датчик влажности подключается с помощью гибких проводов - 7 через контакты для подключения - 5 к мосту Винстона с источником постоянного тока и прибора для регистрации тока. С моста Винстона на контакты для подключения - 5 поступает электрический ток, который через проводящие дорожки с ВШС - 3 подается на пленку оксида цинка, играющую роль переменного сопротивления. При изменении влажности окружающей среды изменяется и дифференциальное сопротивление пленки оксида цинка, и ток, протекающий через проводящие дорожки с ВШС - 3 и омические контакты - 2. В свою очередь изменение тока фиксируется подключенным к мосту Винстона прибором для измерения тока. По величине изменения тока, измеренного прибором, оценивается влажность воздуха. Шкалу прибора для измерения тока можно отградуировать в относительных единицах и определять относительную влажность воздуха по шкале прибора для измерения тока.The operation of the moisture sensor is based on changes in the conductivity of the zinc oxide film under the influence of moisture (with increasing relative air humidity, the conductivity of the sensitive layer increases). The humidity sensor is connected using flexible wires - 7 through connection contacts - 5 to a Winston bridge with a direct current source and a device for recording current. From the Winston bridge, an electric current is supplied to the connection contacts - 5, which is supplied through the conductive tracks from the VShS - 3 to the zinc oxide film, which plays the role of variable resistance. When the ambient humidity changes, both the differential resistance of the zinc oxide film and the current flowing through the conductive paths with VShS - 3 and ohmic contacts - 2 change. In turn, the change in current is recorded by a current measuring device connected to the Winston bridge. Based on the change in current measured by the device, air humidity is estimated. The scale of the instrument for measuring current can be calibrated in relative units and the relative humidity of the air can be determined using the scale of the instrument for measuring current.

Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение чувствительности датчика влаги для измерения относительной влажности воздуха и снижение его себестоимости, упрощение технологии производства, за счет внедрения в устройство проводящих дорожек с ВШС которые подключены к четырем омическим контактам.The technical result of the claimed utility model is to increase the sensitivity of the moisture sensor for measuring relative air humidity and reduce its cost, simplify the production technology, due to the introduction into the device of conductive tracks with VHSs that are connected to four ohmic contacts.

Claims

1. A moisture sensor containing a housing, a protective grid, a dielectric substrate, a sensitive element made of a layer of oxide semiconductor, namely zinc oxide, characterized in that the sensor contains four ohmic contacts located in the same plane on opposite sides of the substrate, made in a rectangular shape, conductive tracks of an interdigitated structure (IDS) placed on the substrate, and a sensitive element made of a zinc oxide layer is placed on top of them, while the conductive tracks of the IDS are connected to four ohmic contacts.

2. The moisture sensor according to claim 1, characterized in that the dielectric substrate is made of Kapton with a size of 1 to 50 mm and a thickness of 100 to 120 microns.

3. The moisture sensor according to claim 1, characterized in that the sensitive element is made of a zinc oxide layer 450 nm thick.