ДАТЧИК ВЛАЖНОСТИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
HUMIDITY SENSOR AND WAY OF ITS MANUFACTURING

Изобретение относится к средствам контроля влажности воздуха. Датчик может быть использован для контроля влажности воздуха помещений различного назначения (производственных, жилых, административных и общественных зданий, складов сырья и готовой продукции и т.д.), технологических газовых сред, автоматического мониторинга атмосферы, индивидуального портативного (карманного) средства измерения влажности воздуха.
Известен датчик влажности воздуха (Heinzmann G., Radloff D., Reichert J., Ache H.-J. Патент 19605522 A1 DE, Германия, МПК G01N 21/77. Заявл. 15.02.96; опубл. 21.08.97.), который состоит из газочувствительного элемента, представляющего собой медный и никелевый комплексы мезо-тетра-сульфонатофенил-порфирина (Cu-TPPS и Ni-TPPS), пористого носителя, оптиковолоконной линии, спектрометра с диодной матрицей. Измерение содержания влажности основано на использовании оптико-волоконной техники и регистрации изменения спектров поглощения газочувствительных компонентов с помощью спектрометра с диодной матрицей. Чувствительный элемент готовят методом золь-гель технологии, нанося состав с газочувствительным компонентом на пористый носитель, расположенный на торцевой части световодного волокна. Интенсивность полосы поглощения в спектре Cu-TPPS при 416 нм зависит от величины относительной влажности.
Недостатками этого изобретения являются: громоздкость регистрирующего аналитический сигнал оборудования, а именно наличие оптико-волоконной линии связи сенсора с регистрирующим прибором; невысокое значение коэффициента чувствительности датчика, что увеличивает значимость случайных погрешностей анализа.
2
Известен полупроводниковый газовый датчик (Патент №2212656 от 2002.03.04, опубл. 2003.09.20, G01N 27/12), который используется для измерения влажности, содержащий полупроводниковое основание с нанесенными на его поверхность металлическими электродами, основание выполнено из монокристаллической пластины фосфида индия. При адсорбции паров воды, сопровождающейся образованием донорно-акцепторных комплексов типа НO+-In-, происходит заряжение поверхности полупроводниковой пластины, соответственно изменение концентрации свободных носителей зарядов, а вследствие этого изменение ее электрической проводимости. По величине изменения электрической проводимости с помощью градуировочных кривых можно определить содержание влаги в исследуемой среде.
Недостатками этого изобретения являются: сложность выращивания монокристаллического основания датчика (монокристалла фосфида индия); невысокое значение коэффициента чувствительности датчика.
4
6
7
24
3
12
40
Наиболее близким по количеству общих конструкторских элементов и достигаемому эффекту является датчик газообразного сероводорода и способ его изготовления (РФ Патент №2184957 RU от 2001.05.25, Бюл. №19 от 2002.07.10, G01N 27/12). Этот датчик используется как датчик влажности, который состоит из диэлектрической подложки, газочувствительного слоя и электродов, нанесенных поверх газочувствительного слоя. В качестве диэлектрической подложки используется боратно-висмутатное стекло состава: оксид висмута (III) - 70%, оксид бора (III) - 30%. Чувствительный слой формируется в результате травления поверхности подложки в ортофосфорной кислоте в течение 10-15 мин при 90-105°С. Модификация полученного фосфата висмута осадка происходит в две стадии: первая стадия - обработка раствором парамолибдата аммония (NH)МоO; вторая стадия - обработка раствором 12-молибденфосфорной кислоты НРМоO. Полученную структуру сушат при 100-120°С в течение 2 ч. Электрические контакты наносят поверх газочувствительного слоя.
3
3
Недостатками этого датчика является то, что он малочувствителен к содержанию паров воды в воздухе (чувствительность 12,5 мкСм/г/м), диапазон измерения содержания от 5 до 23 г/м (Ж. Микросистемная техника №12, 2001 Использование гетерогенных структур на основе оксидных соединений висмута в качестве химических сенсоров Х.Д.Мохаммед, В.А.Кутвицкий, М.А.Гольдштрах, Л.П.Маслов, О.В.Сорокина, Л.Д.Исхакова). Применение двухстадийной модификации делает способ изготовления датчика длительным по времени и трудоемким. Нанесение контактов поверх чувствительного слоя приводит к разрушению его структуры, что в свою очередь приводит нарушению точностных характеристик датчика.
Технической задачей изобретения является разработка датчика влажности, обладающего более высокой чувствительностью по отношению к парам воды в широкой области концентраций и упрощение его изготовления (сокращение стадийности и времени изготовления).
Техническая задача достигается тем, что датчик влажности (чертеж) содержит диэлектрическую подложку из боратно-висмутатного стекла (1), газочувствительный слой (3), электрические контакты (2). Подложка изготавливается из боратно-висмутатного стекла состава:
оксид висмута (III) - 70%,
оксид молибдена (VI) - Х%,
оксид бора (III) - (30-X)%, где X=0,5-7.
Электрические контакты расположены в углублении на поверхности подложки.
Датчик влажности изготовлен путем формирования на диэлектрической подложке из боратно-висмутатного стекла газочувствительного слоя последовательным травлением боратно-висмутатного стекла в ортофосфорной кислоте с получением осадка и его модификации с последующей сушкой. На подложку наносят контакты, в качестве подложки используется стекло состава:
оксид висмута (III) - 70%,
оксид молибдена (VI) - X%,
оксид бора (III) - (30-X)%, где X=0,5-7,
модификацию осадка проводят с помощью раствора парамолибдата аммония и перекиси водорода. Полученную структуру сушат при 120-140°C в течение 2 ч.
Пример 1.
Датчик влажности содержит диэлектрическую подложку из боратно-висмутатного стекла состава:
оксид висмута (III) - 70%,
оксид молибдена (VI) - 0,5%,
оксид бора (III) - 29,5%,
с закрепленными на подложке электрическими контактами (2), на которой сформирован газочувствительный слой (3).
Слой газочувствительного вещества представляет собой гетероструктуру, полученную путем травления висмутатно-боратного стекла в ортофосфорной кислоте при t=100°С в течение 10 мин с получением осадка и последующей его одностадийной обработкой с помощью раствора парамолибдата аммония и перекиси водорода. Полученную структуру сушили при 110°С в течение 2 ч.
3
3
воды
Измерение характеристик датчика проводили на переменном токе частотой 1 кГц с помощью иммитансометра Е7-8. Аналитическим сигналом служит изменение электрической проводимости (Δσ) газочувствительного слоя под действием различного содержания паров воды (от 0,008 до 30 г/м) в газовой фазе. При этом σ изменялась от 1,2 до 410 мкСм. Была получена градуировочная зависимость в координатах lnσ от С. Чувствительность датчика составила 13,5 мкСм/г/м. Необходимый уровень содержания паров воды в воздушной среде определяли по парциальному давлению водяных паров над растворами серной кислоты с известной концентрацией. Сигнал, достаточный для регистрации, получен при комнатной температуре.
Пример 2.
Датчик влажности содержит диэлектрическую подложку из боратно-висмутатного стекла состава:
оксид висмута (III) - 70%,
оксид молибдена (VI) - 1%,
оксид бора (III) - 29%,
с закрепленными на подложке электрическими контактами (2), на которой сформирован газочувствительный слой (3).
3
3
воды
Аналитическим сигналом служит изменение электрической проводимости Δσ газочувствительного слоя под действием различного содержания паров воды (от 0,008 до 30 г/м) в газовой фазе. При этом σ изменялась от 0,3 до 680 мкСм. Получена градуировочная зависимость в координатах lnσ от С. Чувствительность датчика составила 25,2 мкСм/г/м.
Пример 3.
Датчик влажности содержит диэлектрическую подложку из боратно-висмутатного стекла состава:
оксид висмута (III) - 70%,
оксид молибдена (VI) - 3%,
оксид бора (III) - 27%,
с закрепленными на подложке электрическими контактами (2), на которой сформирован газочувствительный слой (3).
3
3
воды
Аналитическим сигналом служит изменение электрической проводимости Δσ газочувствительного слоя под действием различного содержания паров воды (от 0,008 до 30 г/м) в газовой фазе. При этом σ изменялась от 0,32 до 760 мкСм. Получена градуировочная зависимость в координатах lnσ от С. Чувствительность датчика составила 28,2 мкСм/г/м.
Пример 4.
Датчик влажности содержит диэлектрическую подложку из боратно-висмутатного стекла состава:
оксид висмута (III) - 70%,
оксид молибдена (VI) - 7%,
оксид бора (III) - 23%,
с закрепленными на подложке электрическими контактами (2), на которой сформирован газочувствительный слой (3).
3
3
Аналитическим сигналом служит изменение электрической проводимости Δσ газочувствительного слоя под действием различного содержания паров воды (от 0,008 до 30 г/м) в газовой фазе. При этом σ изменялась от 1 до 400 мкСм. Чувствительность датчика составила 14,8 мкСм/г/м.
Пример 5.
Датчик влажности содержит диэлектрическую подложку из боратно-висмутатного стекла состава:
оксид висмута (III) - 70%,
оксид молибдена (VI) - 0,3%,
оксид бора (III) - 29,7%,
с закрепленными на подложке электрическими контактами (2), на которой сформирован газочувствительный слой (3).
3
3
Аналитическим сигналом служит изменение электрической проводимости Δσ газочувствительного слоя под действием различного содержания паров воды (от 0,008 до 30 г/м) в газовой фазе. При этом σ изменялась от 10 до 300 мкСм. Чувствительность датчика составила 10,0 мкСм/г/м.
3
Использование подложки содержащей в своем составе менее 0,5% МоО нецелесообразно ввиду уменьшения чувствительности датчика влажности.
3
Использование подложки содержащей в своем составе более 7% МоО осложнено механической непрочностью подложки и высокой вероятности ее разрушения при изготовлении сенсора.
Таким образом, предлагаемый датчик влажности обладает чувствительностью на 20-230% выше, чем у прототипа.
3
Заявляемый способ изготовления датчика влажности позволил расширить диапазон определения с (5-23) до (0,008-30) г/м.
Одностадийная обработка слоя нерастворимого фосфата висмута с помощью раствора парамолибдата аммония и перекиси водорода, что на одну стадию меньше, чем при изготовлении прототипа, сокращает время изготовления датчика.
Нанесение контактов непосредственно на подложку перед этапами получения чувствительного слоя, а не после, как у прототипа, позволило изготавливать однородный чувствительный слой, обеспечило максимальный контакт проводника с чувствительным слоем, а также исключило возможность разрушения чувствительного слоя в процессе нанесения контактов.
На чертеже представлена конструкция датчика сероводорода.
1 - стеклянная диэлектрическая подложка
2 - электрические контакты
3 - газочувствительный слой