ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ДЛЯ ДАТЧИКА ВЛАЖНОСТИ

Предлагаемое техническое решение относится к области измерительной техники и может быть использовано для измерения влажности газовой среды.
Известны пьезорезонансные датчики влажности, выполненные на основе пьезорезонансных первичных преобразователей с селективным влагочувствительным покрытием [1-3]. Принцип действия таких преобразователей заключается в том, что модуляция частоты в зависимости от влажности вызывается изменением массы воды, сорбированной влагочувствительным покрытием резонатора. Таким образом, влажность измеряется непосредственно по изменению массы сорбированной на резонаторе влаги.
Первичный преобразователь датчика влажности [1] изготовлен на основе пьезорезонатора АТ-среза, а в качестве адсорбирующего слоя использован полиекапроамид, нанесенный из раствора на поверхность пьезоэлемента.
В первичном преобразователе датчика влажности [2] в качестве адсорбирующего слоя, наносимого на поверхность пьезозлемента, использован сульфатированный полистирол, обладающий высокой селективностью адсорбции влаги относительно большинства других компонентов газовой среды.
Кроме того, в первичных преобразователях датчиков влажности в качестве адсорбирующего слоя используют селикагель и так называемые «молекулярные сита» [1], которые позволяют увеличить их чувствительность.
Наиболее близким к заявляемому является пьезорезонансный преобразователь, содержащий электроды кварцевого резонатора, на поверхность которых нанесен адсорбирующий слой - тонкая пленка стекла [3]. Данный преобразователь можно принять в качестве прототипа.
Основным недостатком данного преобразователя, а также преобразователей, указанных выше, является их высокая инерционность. Это объясняется, во-первых, достаточно большим временем установления выходного сигнала (несколько минут и более), а, во-вторых, продолжительностью последействия при десорбции влаги с гигроскопического покрытия, которая может составлять час и более. При меньших временах измерения инерционность процесса десорбции воспринимается как гистерезис. Для устранения этого недостатка применяют специальные дополнительные устройства для принудительной осушки преобразователя [2, 3].
Целью создания данной конструкции является уменьшение времени установления выходного сигнала и уменьшение инерционности процесса десорбции.
Указанная цель достигается тем, что в преобразователе для датчика влажности, содержащем электроды кварцевого резонатора, на поверхность которых нанесен адсорбирующий слой, последний выполнен из халькогенидного стеклообразного полупроводника (ХСП), а между поверхностью электродов и адсорбирующим слоем нанесен слой алюминия.
При этом адсорбирующий слой ХСП представляет собой пленку, наносимую на поверхность электродов путем вакуумного напыления.
Выполнение чувствительного слоя преобразователя из халькогенидного стеклообразного полупроводника позволяет существенно повысить скорость процесса, так как физическая адсорбция происходит без образования соединений и комплексов. Для предотвращения диффузии в слой ХСП серебра, из
которого сделаны электроды кварцевого резонатора, между ними напыляют тонкий слой алюминия.
Сущность данного технического решения поясняется чертежами, где:
на фиг.1 изображено устройство первичного преобразователя, а на фиг.2 показана зависимость скорости изменения сигнала датчика от времени. Пьезорезонансный преобразователь для датчика влажности содержит:
кварцевый резонатор 1, два серебряных электрода 2, на которые напылен тонкий слой алюминия 3. Поверх слоя алюминия напылена адсорбирующая пленка из халькогенидного стеклообразного полупроводника 4.
Пьезорезонансный преобразователь работает следующим образом. Поверхность чувствительного слоя из ХСП адсорбирует влагу из окружающей среды, при этом меняется масса резонатора. Вследствие этого изменяется резонансная частота первичного преобразователя. Чем больше относительная влажность, тем больше масса адсорбированной воды и тем больше изменение резонансной частоты. Так как осаждение влаги на поверхности ХСП происходит в основном за счет физической адсорбции, без образования соединений и комплексов, то скорость адсорбции и десорбции влаги на поверхности ХСП существенно больше, чем при использовании других влагочувствительных слоев. Это иллюстрируется зависимостью, представленной на фиг.2, где приведена скорость изменения сигнала датчика, работающего на основе данного преобразователя, от времени при резком изменении влажности от 100% до 75%. Из зависимости видно, что время установления сигнала датчика составляет 30 секунд.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЕ ИСТОЧНИКИ
1. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - М.: Энергоатом издат, 1989.-272 с.
2. King W.H. Using quartz crystals as sorption detectors // Res.Develop. 1969, Vol. 20, №2, P. 28-34, №5, Р.29-33.
3. King W.H. The State-of-the-Art in Piezoelectric Sensors // Proc.AFCS 25, 1971, P. 55-73.