Микроминиатюрный сорбционный датчик влажности газа

Полезная модель относится к устройствам для измерения влажности воздушной среды, газов или поверхности тел и может быть использована в различных отраслях народного хозяйства, в том числе и в системах автоматизированного климатического контроля, снижая гистерезисные явления.
В настоящее время существуют микроминиатюрные сорбционные датчики влажности воздуха, состоящие из диэлектрической подложки и осажденных на нее пленочных электродов, на поверхности которых и между ними наносится влагочувствительный слой, в качестве которого используются полимеры и иные материалы. При этом механизм изменения электрофизических параметров (например, емкости или сопротивления) структуры основан на адсорбции поверхностью чувствительного вещества молекул воды из воздуха. Известен датчик подобного типа, содержащий подложку из диэлектрического материала с осажденными на нее слоистыми пленочными электродами и диэлектрической пленкой линейно-цепочечного углерода в промежутке между ними, при этом электроды разнесены на подложке относительно друг друга с образованием промежутка 0,1-2,0 мм и выполнены путем термического осаждения в вакууме [1]. Известен также емкостной датчик влажности, содержащий влагочувствительный слой, который является электретом и выполнен в виде пленки оксида металла, из которого изготовлен первый измерительный электрод, а второй измерительный электрод выполнен из проницаемого для паров воды материала, электропроводность которого выше электропроводности влагочувствительного слоя, при этом влагочувствительный слой размещен между двумя измерительными электродами [2]. Известен и резистивный датчик влажности, содержащий подложку из стекла с осажденными на нее пленочными электродами из серебра и полупроводникового влагочувствительного слоя поли-N-эпоксипропилкарбазол (ПЭПК) в промежутке между ними, при этом толщина электродов составляла 100 нм, а ширина электродов и расстояние между ними были равны 20 мм и 40 мкм соответственно, толщина слоя ПЭПК составила 400 и 330 нм, причем электроды осаждались на подложку термическим испарением, а  слой ПЭПК из раствора спиновым методом [3].
Существенным недостатком вышеописанных устройств является то, что определение относительной влажности осуществляется лишь по одному электрофизическому параметру (либо только по изменению электродвижущей силы, либо только по изменению емкости, либо только по изменению сопротивления), причем графические зависимости как электродвижущей силы (ЭДС) от относительной влажности при разных материалах электродов для датчика [1], так и емкости от относительной влажности для датчика [2], и сопротивления от относительной влажности для датчика [3] в измеряемом диапазоне носят нелинейный характер, а значит подвержены гистерезисным явлениям, искажающим результаты измерений на прямом и обратном ходе.
Наиболее близким техническим решением является сорбционный датчик влажности газа, описанный в [4] и выбранный в качестве прототипа. Этот датчик содержит непроводящую подложку с нанесенными на нее гребенкообразными металлическими электродами и влагочувствительным покрытием, которое выполнено из термически обработанного диметилвинилэтинилкарбинола, растворенного в уксусноэтиловом спирте.
Недостатком данного сорбционного датчика является то, что определение относительной влажности газа здесь осуществляется только лишь по изменению сопротивления, причем графическая зависимость этого сопротивления от относительной влажности газа в измеряемом диапазоне носит нелинейный характер, способствуя гистерезисным явлениям.
Техническим результатом полезной модели является снижение гистерезисных явлений, искажающих результаты измерений относительной влажности.
Технический результат достигается тем, что микроминиатюрный сорбционный датчик влажности газа, содержащий непроводящую подложку с нанесенными на нее гребенкообразными металлическими электродами и влагочувствительным покрытием, согласно полезной модели, влагочувствительное покрытие выполнено в виде тонкой пленки из оксида алюминия, полученной методом реактивного импульсного магнетронного распыления мишени из алюминия при соотношении реактивного газа кислорода и рабочего газа аргона 50 % / 50 %, давлении газовой смеси 0,5 Па, напряжении на магнетроне 270 В, токе магнетрона 8 А, напылении покрытия в течение 60 мин, при температуре подложки 150 °С и расстоянии от мишени до подложки 17 см.
Работа предложенного технического решения наглядно продемонстрирована изложенным ниже примером.
На фиг. 1 представлена конструкция микроминиатюрного сорбционного датчика влажности газа и его размеры. На фиг. 2 – увеличенный фрагмент I конструкции датчика с гребенкообразными металлическими электродами, обозначенный на фиг. 1. На фиг. 3 – графическая зависимость изменения сопротивления этого датчика от относительной влажности воздуха, а на фиг. 4 – графическая зависимость изменения емкости этого датчика от относительной влажности воздуха.
2
3
2
Микроминиатюрный сорбционный датчик влажности газа, изображенный на фиг. 1, 2, содержит непроводящую подложку 1 из стекла с нанесенными на нее гребенкообразными металлическими электродами 2 из хрома (Cr) и влагочувствительным покрытием 3, которое выполнено в виде тонкой пленки из оксида алюминия (AlO), полученной методом реактивного импульсного магнетронного распыления мишени из алюминия (Al) при соотношении реактивного газа кислорода (O) и рабочего газа аргона (Ar) 50 % / 50 %, давлении газовой смеси 0,5 Па, напряжении на магнетроне 270 В, токе магнетрона 8 А, напылении покрытия в течение 60 мин, при температуре подложки 150 °С и расстоянии от мишени до подложки 17 см. Толщина влагочувствительного покрытия при указанных параметрах его получения составила 500 нм, при этом данное влагочувствительное покрытие является прозрачным для света и нанесено поверх гребенкообразных металлических электродов, заполняя в том числе и свободное пространство на подложке между ними.
Устройство работает следующим образом. При помещении его во влажную среду происходит конденсация паров воды на поверхности электродов и в межэлектродном пространстве на влагочувствительной пленке из оксида алюминия. При этом микропористая структура этой пленки адсорбирует на своей поверхности молекулы воды, что приводит к изменению ее сопротивления и диэлектрической проницаемости, связанной с изменением емкости, величины которых зависят от влажности среды.
Зависимость сопротивления вышеуказанного датчика от относительной влажности воздуха, измеренная при температуре 25 °С на частоте 1 кГц представлена на фиг. 3. Она имеет линейный участок в диапазоне от 20 % до 60 % влажности.
Зависимость емкости вышеуказанного датчика от относительной влажности воздуха, измеренная при температуре 25 °С на частоте 1 кГц представлена на фиг. 4. Она имеет линейный участок в диапазоне от 60 % до 90 % влажности.
Графическая зависимость изменения сопротивления полученного с таким влагочувствительным покрытием датчика от относительной влажности газа носит линейный характер в диапазоне от 20 % до 60 %, а зависимость изменения емкости этого датчика от относительной влажности газа носит линейный характер в диапазоне от 60 % до 90 %, что позволяет минимизировать гистерезисные явления, используя соответствующие зависимости в указанных диапазонах для измерений.
Сравнение заявленного технического решения с другими техническими решениями в данной области показало, что микроминиатюрный сорбционный датчик влажности газа, позволяющий обеспечивать линейную графическую зависимость изменения сопротивления от относительной влажности газа в диапазоне от 20 % до 60 %, и одновременно линейную зависимость изменения емкости от относительной влажности газа в диапазоне от 60 % до 90 % неизвестен. Кроме того, совокупность существенных признаков вместе с ограничительным позволяет обнаружить у заявляемого решения иные, в отличие от известных свойства, к числу которых можно отнести следующие:
- возможность одновременно обеспечивать линейную графическую зависимость изменения сопротивления от относительной влажности газа в диапазоне от 20 % до 60 % и линейную зависимость изменения емкости от относительной влажности газа в диапазоне от 60 % до 90 %;
- возможность использовать диапазоны линейной графической зависимости изменения сопротивления от относительной влажности газа и изменения емкости от относительной влажности газа как отдельно в соответствующих диапазонах, так и в совокупности в автоматизированных системах измерения, управляющих выбором соответствующего диапазона.
Таким образом, иные в отличие от известных, свойства, присущие предложенному техническому решению, доказывают наличие существенных отличий, направленных на достижение технического результата.
Таким образом, описанная полезная модель позволяет снизить гистерезисные явления, искажающие результаты измерения влажности газа.
Источники информации
1. Патент RU №2647168. МПК G01N 27/12 (2006.01). Датчик влажности / Кочаков В.Д., Васильев А.И., Смирнов А.В. – № 2016129668; заявлено 05.11.1986; опубл. 09.02.1988, бюл. №14.
2. Патент РФ №2096777. МПК G01N 27/22. Датчик влажности / Матвеев А.В., Вовк С.М., Кошелев В.Л. – № 96111167/25; заявлено 14.06.1996; опубл. 20.11.1997, бюл. № 21.
3. Каримов, Х.С. Резистивный датчик влажности на основе полупроводниковой наноструктуры / Х.С. Каримов, Х.М. Ахмедов, К.Е. Чеонг, М. Салим, А.Ф. Мохд Нур, И. Муртаза // Доклады академии наук Республики Таджикистан: Техника, – 2009. – Т. 52. – №1. – С. 75-79.
4. А. с. SU №381013. МПК G01N 27/04 (1973.05). Сорбционный датчик влажности газа / Ловягин Б.П. – №1632387/26-25; заявлено 10.03.1971; опубл. 15.05.1973, бюл. № 21.