Конденсационный высокотемпературный гигрометр

Изобретение относится к области измерительной техники. Конденсационный гигрометр содержит слой окисленного пористого кремния на монокристаллической подложке, систему встречно-штыревых электродов и металлических контактов к ней. Поры в окисленном пористом кремнии имеют коническую, расширяющуюся к поверхности форму, а электроды, изолированные окислом, выполнены из поликремния и заглублены в тело монокристаллической подложки на всю толщину пористого слоя. Технический результат - обеспечение возможности эксплуатации при высоких температурах, повышение чувствительности при эксплуатации при повышенных температурах, обеспечение стойкости к воздействию высоких температур и термоциклированию. 1 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике, более конкретно к технике измерения влажности газов и воздуха. Такие измерения важны при выпечке хлеба, копчении, сушке древесины, обжиге кирпича и во многих других процессах.

Широко распространены влагомеры сорбционного типа, действие которых основано на измерении электрического сопротивления или диэлектрической проницаемости пленки полимерного материала в зависимости от объема адсорбированной влаги [1].

Недостатками их являются низкая рабочая температура - 50-80°С, гистерезис и нестабильность характеристики.

Лучшими характеристиками обладают сенсоры с неорганическим чувствительным слоем из оксида алюминия [1]. Однако этот сенсор основан на определении точки росы и уже поэтому может применяться лишь до 100°С.

В патенте США №4057823 предложено в качестве адсорбционного слоя использовать пористый кремний [2]. На его поверхность наносятся металлические встречно-штыревые электроды, а диэлектриком конденсатора является по существу воздух, объемное содержание которого в пористом кремнии достигает 70-90%. Конденсация воды, диэлектрическая проницаемость которой в 80 раз выше, чем воздуха, приводит к изменению емкости, зависящему от температуры и относительной влажности.

Недостатками конструкции являются возможность поверхностного пробоя между близко расположенными электродами в условиях высокой влажности и температуры и низкая чувствительность, обусловленная тем, что электрическое поле не проникает вглубь пористого слоя, где, прежде всего, и конденсируется влага. Кроме того, большая суммарная длина электродов (порядка 1 метра) обуславливает высокие механические напряжения из-за большой разницы ТКЛР металла и кремния. Поэтому сенсор на пористом кремнии, выполненный согласно [2] и принятый нами за прототип, непригоден для эксплуатации при повышенных температурах.

Технический результат изобретения - обеспечение возможности эксплуатации при высоких температурах, повышение чувствительности при эксплуатации при повышенных температурах, обеспечение стойкости к воздействию высоких температур и термоциклированию.

Технический результат достигается тем, что конденсационный гигрометр содержит слой окисленного пористого кремния на монокристаллической подложке, систему встречно-штыревых электродов и металлических контактов к ней, при этом поры в окисленном пористом кремнии имеют коническую, расширяющуюся к поверхности форму, а электроды, изолированные окислом, выполнены из поликремния и заглублены в тело монокристаллической подложки на всю толщину пористого слоя.

Использование монокристаллического кремния в конструкции позволяет легко управлять конфигурацией пор, главным образом, путем изменения плотности тока в процессе формирования слоя пористого кремния [3].

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором изображены в плане и разрезе фрагменты структуры предлагаемого изобретения: где 1 - монокристаллическая пластина, 2 - слой пористого окисленного кремния, 3 - пленка SiO₂, 4 - поликристаллические электроды, 5 - металлические контакты.

Новизна конструкции состоит в том, что благодаря конической форме пор степень их заполнения конденсатом изменяется, снижаясь по мере уменьшения влажности воздуха. При этом кривизна поверхности в порах настолько велика, что конденсация может наступить и при температуре, намного превышающей точку кипения. Как показывают наши эксперименты, емкость конденсатора предлагаемой конструкции реагирует на изменение влажности, вплоть до 300°С. Это прямо следует из уравнения Кельвина, согласно которому упругость пара над поверхностью обратно пропорциональна радиусу ее кривизны. Известно также, что удалить влагу, остающуюся в порах после получения пористого слоя удается только при длительном нагреве при температуре выше 300°С в атмосфере инертного газа или в условиях вакуума.

Измерения емкости гигрометра проводились путем включения его в качестве частотозадающего элемента стандартного RC-генератора.

Предлагаемое изобретение реализуется следующим образом. В пластинке монокристаллического кремния плазмохимическим или химическим методом вытравливаются канавки по топологии встречно-штыревых электродов и области для металлических контактов глубиной около 10 мкм. После термического окисления вся поверхность заращивалась легированным поликремнием толщиной более 15 мкм. Поликремний, выступающий над канавками, сошлифовывался до термического окисла, чем обеспечивалось формирование поликремниевых встречно-штыревых электродов. Далее, заполненные поликремнием канавки покрывались слоем SiO₂, в котором формировались окна для изготовления металлических контактов. Заключительной операцией было формирование в монокристалле системы пор специальной формы и окисление всей структуры, включая области пор.

Испытания проводились в термостате с регулируемой влажностью. Номинальное значение емкости - около 100 пФ. Функция преобразования имела экспоненциальный характер, причем наибольший рост емкости - около 50% от начального значения наблюдался при увеличении относительной влажности от 40% до 90%, что соответствует модели капиллярной конденсации. Устройство выдерживает термоциклы «жидкий азот-600°С» без изменения первоначального значения емкости, гистерезис основной характеристики незначителен (менее 0.1% от номинального значения) благодаря стабильности геометрии пор.

Суммируя изложенное, можно заключить, что предлагаемое изобретение способно дать положительный эффект, поскольку означает появление приборов нового поколения, основанных на высоких технологиях микроэлектроники и пригодных для массового производства.

Источники информации:

1. Аш Ж. Датчики измерительных систем. Мир, 1995, т.2, стр.338-341.

2. Патент США №4057823 (имеется перевод в «Зарубежной электронной технике», 1989, №9, стр.12) - прототип.

3. M.J. Schöning, A. Kurowski, M. Thust at al. Capacitive microsensor for biochemical sensing based on porous silicon technology. Sensors and Actuators B-64 (2000) 59-64.

Конденсационный высокотемпературный гигрометр, содержащий слой окисленного пористого кремния на монокристаллической подложке, систему встречно-штыревых электродов и металлических контактов к ней, отличающийся тем, что поры в окисленном пористом кремнии имеют коническую, расширяющуюся к поверхности форму, а электроды, изолированные окислом, выполнены из поликремния и заглублены в тело монокристаллической подложки на всю толщину пористого слоя.