Датчик влажности и температуры

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(22) Заявлено 26. 08. 79 (212814386/18-25 с присоединением заявки Йо 0 01 Я 25/56,Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(72) Авторыизобретения С.Т. Воронин и Г.В. Ларичева 11Специальное .опытное проектно-конструкторско технологическоебюро Сибирского отделения Всесоюзной ордена ЛМщна академиисельскохозяйственных наук им. В.И. Ленина(54) ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ И ТЕМПЕРАТУРЫ Изобретение относится к техническим измерениям, а конкретно к датчикам для измерения одновременно температуры и влажнооти.газов.Известны устройства, предназна.- ченные для измерения влажности на основе угольных, пьеэокварцевых, алюминиевооксидных и других абсорбционных электрических датчиков влажностиНо угольные датчики имеют гистерезис при измерениях, пьеэокварцевые " чувствительны к изменению плотности и вязкости газов, к пыли и механическим загрязнениям, дороже, алюминиево.оксидные - недостаточно стабильны.Известен датчик относительной влажности, в котором на керамической подложке расположены металлические электроды, соединенные пористойпленкой РОГОЗ (1)Однако этот датчик обладает физическими свойствами, приводящими к быстрому старению пленки,Наиболее близким к предлагаемому является датчик влажности и темпе" рату 1 ы, 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 однова ременном измерении влажности и температуры, а также .сохранение чувствительности при малых габаритах.Поставленная цель достигается тем,.что в датчике влажности и температуры, содержащем тонкопленочный конденсатор, выполненный в виде подложки из пористого диэлектрика с нанесенными на нее металлическими электродами, один из которых представляет20 собой сопротивление и имеет формумеандра, в сопротивлении расстояниямежду полосками не превышают размеров агломератов воды на поверхностидиэлектрика и имеют различные величины, а толщина диэлектрика тонкопленочного конденсатора превышаетразмеры пор в диэлектрике, в качестве которого может быть использованпористый кремний,При измерений одновременно влажности и температуры необходимо ис 989422пользовать мостовую схему измерений, где в одно плечо включен эталонный герметизированный датчик, а в другое измерительный, причем оба изготавливают одновременно, поэтому они идентичны. 5Конструкция датчика влажности и температуры дает возможность использовать возможности интегральной технологии при изготовлении датчиков, такие как воспроизводимость, малые 10 габариты, низкая себестоимость и высокое разрешение, достигнутое по ширине полосок металлической пленки и расстоянию между ними - до 10 нм (или 0,01 мк), что ранее было невоз можно.На чертеже изображен датчик влажности и температур.Датчик влажности и температуры содержит тонкопленочный конденсатор, 20 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 перемен-. ная величина. Толщина диэлектрической подложки превышает 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 е полосы меандра 9 = 20 мкм. Меандр снабжен контактными площадками 4. формула изобретения Примером изготовления датчиков можетслужить предлагаемая техноло гия, по которой пластины Р-кремния с ориентацией (111) 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 520 С в течение 10- 15 мин в потоке водорода, прошедшего палладиевую очистку с точкой росы -70 ОС для создания хорошего омйческого 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 половинИ датчика. Затем производится Формирование диэлектричес кого слоя пористого кремния способом электрохимйческой анодной обработки монокристаллического кремния в растворе 10-15"ной плавиковой кислоты при 23 С, катодом в котором служит платиновый электрод, а плотность тока 5-300 щА/см.Толщина образующегося диэлектрика боль вз размеров пор, имеющих диаметр на поверхности 1-10 нм, в объеме - до 1 мкм.В зависимости от требуемого быстродействия и чувствительности толщи на выбирается в пределах 5-100 мкм. Следующей операцией служит напыление слоя платины в вакууме поверх полученного слоя пористого кремния. Толщина платины 10,0-100,0 нм, После этого напыляются контактные площадки из никеля толщиной 0,4-0,5 мКм, методом Фотолитографии создается соответствующая чертежу топология сопротивления с переменным шагом а от 0,01 до 10 мкм и шириной полосок Ь, которые одновременно являются верхними обкладками конденсатора.Измерение относительной влажности газов основано на явлении абсорбции влагочувствительной пленкой пористого кремния молекул воды, а так же образованием на поверхности диэлектрика между полосками меандра .агломератов (образований) воды, в результате чего. изменяется геометрический путь тока из-за закорачивания отдельных меандров при соизмеримости их размеров с размерами между полосками. Все это приводит к измерению величины полного сопротивления измерительных элементов в отличие от эталонных герметизированных частей, чем достигается независимость показаний датчика от температуры окружающей средыВлагочувствительность датчика достаточно широка от долей процента до 100 влажности, так как по мере уве" личения влажности начинают работать болие широкие части меандра и более крупные поры в диэлектрике конденсатора, что позволяет работать без насыщения датчика. Преимуществами предложенного тонкопленочного датчика влажности и температуры по сравнению с известной конструкцией являются его механическая прочность, возможность получения взаимозаменяемых датчиков, его высокая стабильность, малые габариты и инерционность. 1, датчик влажности и температуры, содержащий тонкопленочный конденсатор, выполненный в виде подложки щ пористого диэлектрика с нанесенным на нее металлическими электродами, один из которых представляет собой сопротивление и имеет Форму меандра, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с, Источники информации,5,принятые во внимание при экспертизе 1. Патент ОНА Ю 3916367,кл. Н 01 С 13/ОО, опублик. 1978.2. Авторское свидетельство СССРф 1 Ф 51873, кл. 0 01 Я 25/56, 1965,(прототип). итель В. БкаевИ; Надь Корректор А. ренц,Подписноекомитета СССРи открытийкая наб;, д. 4/5 5/62Тираж 871 ВНИИПИ Государственно по делам изобретений 113035, Москва, Ж, Раушака роектиая,фПатент фф, г. Ужг целью расширения диапазона измере- ний влажности при одновременном измерении влажности и температура, в сопротивлении расстояния между полосками не превьзаают размеров агломератов воды на поверхности диэлектрика и имеют различные величины, а толщина диэлектрика тонкопленочного конденсатора превышает размеры пор в диэлектрике.2, Датчик по п. 1, о т л и ч а ющ и й с я тем, чтО, с целью увеличеСостРедактор Т. Веселова Техр ния чувствительности, в качестве диэлектрика использован пористый креэ"ний.