Емкостный датчик

Союз СоветскихСоциалистическихРеспублик ОП ИСАНИЕизовеитинияК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ в 898312(22) Заявлено 08,04,80 (2 ) 2906750/18-25 с присоединением заявки9 кударстеанный комитет СССР по делам изобретений н открытий(23) Приоритет Опубликовано 15,01,82, Бюллетень2 Дата опубликования описания 18.0 1.82(72) Авторы изобретения ПАТс.1 т м щю1 црее,:р . фтфизикиамеЬЛЙОтгсакого Научно-исследовательский институт механикипри Саратовском ордена Трудового Красногогосударственном университете им. Н. Г. Чернь(54) ЕМКОСТНЫЙ ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ Изобрет ение относится к измерительной технике и может быть использовано в в системах контроля и в устройствах автоматического управления.Известен емкостный датчик влажности, гигрочувствительный слой которого выполняется в вице гетероструктуры, состоящей из цвух слоев различных по электрофизическим свойствам широкозонных высокоомных полупровоцников, 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 обьемного заряда в каждом полупроводнике. Верхний электрод имеет ячеистую структуру, что позволило снизить инерционность цатчика цо 9 с, так как влага мигрирует главным образом через более тонкий участки верхнего электроца, а металлическая сетка электрода, обладающая большей толщиной,снижает омическое сопротивление верхнего электрода и повышает надежность его работы 11Данный датчик обладает цостаточно высокой чувствительностью, но у него отсутствует чувсвительность к плошади воздействия потока влажного газа. Емкость датчика зависит от обьемного соцержания влаги в межэлектроцном промежутке.3Ближайшим техническим решением к изобретению является тонкопленочный ацсорбционный датчик влажности, содержащий гигрочувствительный диэлектрик, с противоположных сторон которого нанесены электроды, один из которых несплошной. Токоввоцы датчика подсоединены к двум нижним алюминиевым электроцам, так что чувствительный элемент цатчи ка представляет собой цва идентичных, последовательно соединенных конденсато- ра, имеющих общим электродом пористый слой алюминия. Емкость такого конценсатора определяется влагосоцержаниемФти толщина гигрочувствительного слоя недолжна превышать величину радиуса зкранирования в используемом полупровоцниковом материале. На противоположнуюсторону диэлектрической пластины нанесен сплошной нижний электрод 3. Несплошной верхний электрод 4 нанесен поверхгигрочувствительного слоя 2. Токовводы5 и 6 подсоединены к верхнему и нижнему электродам,Несплошной электрод выполнен в вицегребенчатого электрода, в промежуткахкоторого нанесены проводящие островки.При воздействии потока влажного газанепосредственно на поверхность гигрочувствительного слоя сопротивление гигрочувствительного слоя уменьшается, иотдельные проводящие островки электрически соединяются между собой и с осНовным электродом, представляющим собой металлический контур, выполненный,например, в форме "гребенки". Нанесениепроводящих островков имеет целью снизить требуемый уровень влажности длясоздания с плошного низко омн ого электрода с площадью, превышающей плошадьгребенчатого электрода на величину плошади провоцящих островков и открытойповерхности гигрочувствительного слоя.Работа датчика может быть поясненас помощью эквивалентной схемы, приведенной на фиг, 3. Здесь С - начальнаяемк ость цат чик а в лажи ос ти, опре де ляем аятолщиной и диэлектрической проницаемостью циэлектрической пластины 1 и плошадью гребенчатого электроца 4; 1сопротивление между встречными штырямигребенчатого электрода, склацывающееся из сопротивлений гигрочувствительныхпрослоек между проводящими островкамии малыми значениями сопротивленийэтих проводящих островков; С (Б ) - емкость, зависящая от плошади воздействияпотока влажного газа и появляющаясяпри уменьшении сопротивления гигрочувствительного слоя поц влиянием влаги.Величина емости С (6) определяетсясвойствами диэлектрической пластины 1и площадью, занимаемой гигрочувствительным слоем, подвергающимся воздействию потока влажного газа, с нанесенными на него провоцяшими островками. В рассматриваемой конструкции первоначальная емкость С и емкость С(8), зависящая от плошади возцействия В по формуле плоского конденсатора65Ц 5): 3 89831 диэлектрического слоя А 80. Датчик является высокочувствительным (21Инерционность датчика, определяемаякак время установления значения емкостипри внесении датчика в сосуц с воздухом 5зацанной влажности, составляет несколькосекунд. Оцнако послецовательное соединение цвух конденсаторов в датчике позволяет реализовать высокую чувствительность только при поглощении влаги всем 10обьемом влагочувствительного циэлектрика. При воздействии потоком влаги наслой АЗ 0, расположенный, например,нац одним из нижних алюминиевых элек -троцов, емкость соответствующего тонкопленочного конценсатора увеличивается,но емкость цатчика в целом опрецеляетсянаименьшей величиной соединенных емкостей, и, следовательно, приращение емкости всего датчика минимально. Такимобразом, конструкция известного цатчикане позволяет реализовать чувствительность датчика к площаци воздействия потока влажного газа.Целью изобретения является повышение 5чувствительности датчика влажности кплощади воздействия при одновременномувеличении быстродействия и росте цобротности с увеличением интенсивностивоздействия.30Цель достигается тем, что в мкостном датчике влажности, содержащем гигрочувствительный циэлектрик, с противоположных сторон которого нанесены алектроцы, один из которых несплошной, диэлектрик выполнен цвуслойным, состоящимиз негигрочувствительной диэлектрической пластины и гигрочувствительного полупроводникового или диэлектрическогослоя толщиной поряцка рациуса экранирования, а несплошной электрод, расположенный на гигрочувствительном слое, выполнен в виде металлического контура (например, в форме гребенки), со встроенной в него системой металлических ост45 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 - эквивалент50 ная схема устройства.Датчик влажности состоит из диэлектрической пластины 1, выполненный из материала, не меняющего своих свойств во влажной среде. На циэлектрическую пластину нанесен тонкий слой 2 гигро чувствительного полупроводника или циэлектрика. Для обеспечения необхоцимого быстроцействия и высокой чувствительное5 89где 6 - диэлектрическая проницаемость;д - толщина диэлектрической подложки,соединены параллельно. Поэтому общаяемкость, равная сумме емкостейобц=+И ),меняется пропорционально плошади воздействия потока влажного газа.Сущность работы предлагаемого датчика влажности заключается в изменении поверхностного сопротивления гигрочувствительного слоя полупроводника илидиэлектрика поц действием влаги. Поэтому для уменьшения инерционности гигрочувствительный слой надо делать какможно тоньше. Но для обеспечения достаточно высокой чувствительности толщина слоя должна быть не меньше величины радиуса экранирования в используемом полупроводниковом материале.Другая особенность предлагаемогодатчика связана с тем, что поглощениевлаги происходит не в межэлектродномпространстве, а на поверхности конценсатора. С увеличением влагосоцержанияв гигрочувствительном слое не происходит замыкания верхнего и нижнего электродов по влаге, поэтому диэлектрические потери с увеличением влажности вслое циэлектрика не увеличиваются. Напротив, вследствие уменьшения поверхностного сопротивления оцного из электродов датчика, как показал расчет, происходит рост цобротности 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 опрецеляется наряду с удельным сопротивлением пленки расстоянием между электродами, конфигурацией электродов. Путем нанесения островков из низкоомного материала на полупроводниковую пленку в пространстве между электродами снижается уровень требуемой влажности цля создания определенной величины полного сопротивления пленки. Это явление можно легко обьяснить, если, например, раз 8312 4 1 О 1% 20 23 30 33 делить поверхность полупроводниковой пленки на М частей и представить полное сопротивление пленки Й в виде суммы сопротивлений г отдельных частей:нб:Включение участков с малым сопротивль. - нием г приводит к снижению всего сопротивления пленки Я в целом. Таким образом, соответствующей конфигурацией верхнего элек тро да можно установить надлежащий порог чувствительности ем- костного цатчика влажности.Разработанный датчик может быть использован также для регистрации светового потока, потока ускоренных электронов = "- излучений или других поверхностных воздействий, если вместо . гигроскопического слоя на диэлектрическую подложку нанести полупроводниковый слой, сопротивление которого уменьшается под действием соответствующего вица излучения.формула изобретенияЕмкостный датчик влажности, содер- жащий гигрочувствительный диэлектрик, с противоположных сторон которого нанесены электроды, один из которых не- сплошной, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с, целью повышения чувствительности при оцновременном увеличении быстроаей 1ствия и росте добротности, диэлектрик выполнен двуслойным, состоящим из негигрочувствительной диэлектрической пластины и гигрочувствительногополупровоцникового или диэлектрического слоя толщиной порядка радиуса экранирования, а несплошной электроц расположенный на гигрочувствительном слое, выполнен в вице металлического контура со встроенной в него системой металлическихостровков, отделенных от частей контурагигрочувствительным слоем.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССРЮ 536425, кл. Ь 018 27/22, 1975,ю2. Котельников В. А., Петров Ю. И.Тонкопленочный адсорбционный датчиквлажности. - "Приборы и техника эксперимента", 1973, М 6, 182-184 (прототип) ./раж 882 Поцписн 1939/6 ИПИ филиал ППП "Патент, г. Ужгород, ул. Проектная,