SU898312A1 - Емкостный датчик - Google Patents

Description

1

Изобретение относитс  к измерительной технике и может быть использовано в в системах кситррл  и в устройствах автомагического управлени .

Известен емкостный датчик влажности, гигрочувствительный слой которого выполн етс  в вице гетероструктуры, состо5Ш1ей из двух слоев различных по электрофизическим свойствам широкозонных высокоомных полупроводников. Верхний слой гетероструктуры представл ет собой послойную структуру с плотной и пористой област ми, толщины которых вз ты , в соотношении 2:1. Толщина нижнего сло  гетероструктуры и плотной области верхнего сло  равна соответствующей толщине области объемного зар да в каждом полупроводнике. Верхний электрод имеет  чеистую структуру, что позволило снизить инерционность датчика до 9 с, гак как влага мигрирует главным образом через более тонкие участки верхнего электрода, а металлическа  сетка электрода , обладающа  большей толщиной.

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

Данный датчик обладает достаточно высокойчувсгвительносгью, но у него отсутствует чувсвительность к плс цади воздействи  потока влажного газа. Емкость датчика зависиг ог объемного содержани  влаги в межэлекгродном промежутке ..

Ближайшим техническим рещением к изобретению  вл етс  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 представл ет собой два идентичных, последовательно соединенных конденсаго ра, имеющих общим электродом пористый слой алюмини . Емкость такого конденсатора определ етс  влагосодержанием

диэлектрического сло  . Датчик  вл етс  высокочувствительным 2 ,

Инерционность цатчика, определ ема  как врем  установлени  значени  екйсости при внесении датчика в сосуд с воздухом заданной влажности, составл ет нескольк секунд. Однако последовательное соединение двух конденсаторов в датчике позвол ет 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 увеличиваетс  но емкость датчика в целом определ етс  наименьшей величиной соединенных емкостей , и, следовательно, приращение емкости всего датчика минимально. Таким .образом, конструкци  известного датчика не позвол ет реализовать чувствительность датчика к площади воздействи  потека влажного газа.

Целью изобретени   вл етс  повышени чувствительности датчика влажности к площади воздействи  при одновременном увеличении быстродействи  и росте добротности с увеличением интенсивности воздействи .

Цель достигаетс  тем, что в амкостном датчике влажности, содержащем гигрочувствительный диэлектрик, с противоположных сторон Которого нанесены электроды , один из которых несплошной, диэлектрик выполнен двуслойным, состо щим .из негигрочувствительной диэлектрической пластины и гигрочувствительного полупроводникового или диэлектрического сло  толщиной пор дка радиуса экранировани , 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 на  схема устройства.

Датчик влажности состоит из диэлектрической пластины 1, выполненный из материала, не мен ющего своих свойств во влажной среде. На диэлектрическую пластину нанесен тонкий слой 2 гигрочувствительного полупроводника или диэлектрика . Дл  обеспечени  необходимого быстродействи  и высокой чувствительности толщина гигрочувствительного сло  не должна превьпдать величину радиуса зк- ранировани  в используемом полупроводниковом материале. На противоположную

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

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

непосредственно на поверхность гигро- чувствительного сло  сопротивление гигрочувствительного сло  уменьшаетс , и отдельные провод щие островки электрически соедин ютс  межцу собой и с ос-

новным электродом, представл ющим собой металлический контур, выполненный, например, в форме гребенки. Нанесение провод щих островков имеет целью снизить требуемый уровень влажности дл 

создани  сплошного .низкоомного электрода с площадью, превышающей площадь гребенчатого электрода на величину площади провод щих островков и открытой поверхности гигрочувствительного сло .

Работа датчика может быть по снена с помощью эквивалентной схемы, приведенной на фиг. 3. Здесь начальна  емкость датчика влажности, определ ема  толщиной и диэлектрической проницаемостью диэлектрической пластины I и площадью гребенчатого электрода 4;И сопротивление между встречными штыр ми гребенчатого электрода,- складывающеес  из сопротивлений гигрочувствительных прослоек между провод щими островками и малыми значени ми сопротивлений этих провод щих островков; С (S ) - емкость , завис ща  от площади воздействи  потока влажного газа и по вл юща с  при уменьшении сопротивлени  гигрочувствительного сло  под вли нием влаги. Величина емости С (S) определ етс  свойствами диэлектрическойпластины 1 и площадью, занимаемой гигрочувстви- тельным слоем, подвергающимс  воздействию потока влажного газа, с нанесенными на него провод щими островками.

В рассматриваемой конструкции первоначальна  емкость С и емкость С(в), завис ща  от площади воздействи  S по формуле плоек or о конденсатора

ВД).-,

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

соединены параллельно. Поэтому обща  емкость, равна  сумме емкостей

o5uJ. VCL5),

мен етс  пропорционально площади воздействи  потока влажного, газа.

Сущность работы предлагаемого датчика влажности заключаетс  в изменении поверхностного сопротивлени  гигрочувствительного сло  полупроводника или диэлектрика под действием влаги. Поэтому дл  уменьщени  инерционности гигрочувствительный слой надо делать как можно тоньше. Но дл  обеспечени  достаточно высокой чувствительности толщина сло  должна быть не меньще величины радиуса экранировани  в используемом полупроводниковом материале.

Друга  особенность предлагаемого датчика св зана с тем, что поглощение влаги происходит не в межэлектроцном пространстве, а на поверхности конденсатора . С увеличением влагосодержани  в гигрочувствительном слое не происхоцит замыкани  верхнего и нижнего электродов по влаге, поэтому диэлектрические потери с увеличением влажности в слое диэлектрика не увеличиваютс . Напротив , вследствие уменьшени  поверхностного сопротивлени  одного из электродов датчика, как показал расчет, происходит рост добротности датчика с увеличением доли поглощени  влаги.

Удельное сопротивление гигрочувствительного полупроводникового сло  зависит от процентного содержани  поглощенной влаги. Полное сопротивление полупроводниковой пленки между отдельными част ми несплошного электрода определ етс  нар ду с удельным сопротивлением пленки рассто5шием между электродами , конфигурацией электродов. Путем нанесени  островков из низкоомного материала на полупрсжоцниковую пленку в пространстве между электродами снижаетс  урйвень требуемой влажности дл  создани  определенной величины полного сопротивлени  пленки. Это  вление можно легко объ снить, 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 сопротивлени  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 дл  регистрации светового потока, потока ускоренных электронов A излучений или других поверхностных воздействий, если вместо . гигроскопического сло  на диэлектрическую подложку нанести полупроводниковый слой, сопротивление которого уменьшаетс  поц действием соответствующего вида излучени .

Фор м.у ла изобретени  Емкостный датчик влажности, содержащий гигрочувствительный диэлектрик, с противоположных сторон Которого нанесены электроды, один из которых несплошной , отл ичающийс  тем, что, с,целью повьшени  чувствительности при одновременном увеличении быстродействи  и росте добротности, диэлектрик выполнен двуслойным, состо щим из негигрочувствительной диэлектрической пластины и гигрочувствительного полупроводникового или диэлектрического сло  толщиной пор дка радиуса экранирсюани , 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, прин тые 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 ).

Claims (1)

1. Фор м.у ла изобретения Емкостный датчик влажности, содержащий гигрочувствительный диэлектрик, с противоположных сторон которого нанесены электроды, один из которых несплошной, отличающийся тем, что, с,целью повышения чувствительности · 2* при одновременном увеличении быстродействия и росте добротности, диэлектрик выполнен двуслойным, состоящим из негигрочувствительной диэлектрической пластины и гигрочувствительного полупро35 воцникового или диэлектрического слоя толщиной порядка радиуса экранирования, а несплошной электрод, расположенный на гигрочувствительном слое, выполнен в вице металлического контура со бстро40 енной в' него системой металлических островков, отделенных от частей контура гигрочувствительным слоем.