Чутливий елемент датчика вологості

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к гигрометрии и может быть использовано для определения содержания влаги в газообразных и сыпучих телах. Известны алюминиево-оксидные преобразователи, например, датчик влажности [1], состоящий из алюминиевой фольги, на которой частично сформирован анодный окисел. Характеристики его определяются свойствами слоев окиси, которые зависят от технологии получения. Чувствительность такого типа преобразователей достаточно низка и определяется изменением объемных резистивных свойств чувстви тельного слоя. Достаточно велика постоянная времени, которая колеблется от 10с до 2с для лучших образцов. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является датчик влажности, действующий на принципе измерения электрического сопротивления [2]. Элемент содержит кремниевую пластинку с двухслойным диэлектриком: окисла кремния и нитрида кремния. На последнем формируют металлические слои в виде параллельных полос, попарно объединенных двумя контактами. Нанесенный избирательно слой поликремния обволакивает эти слои, образуя также продольные полосы. Легирование ионами бора или фосфора определяет исходную концентрацию носителей заряда, которая проявляется в виде начального оммического сопротивления. Затем эту структур у покрывают сорбентом влаги, изменяющим свое сопротивление. По величине тока утечек между электродами судят о количестве влаги. При высокой временной стабильности этот элемент имеет невысокую чувстви тельность и большую величину постоянной времени. Цель изобретения повышение чувствительности и уменьшение постоянной времени измерений. Поставленная цель достигается тем, что чувствительный элемент датчика влажности, содержащий кремниевую пластину, на поверхность которой последовательно нанесены слои окисла и нитрида кремния, поверх последнего сформирован в виде прямоугольных полос слой поликристаллического кремния с двумя электродами, легированного ионами элементов III и V гр упп, с нанесенным материалом, сорбирующим влагу, согласно изобретению, слой поликремния сформирован в виде двух ортогональных по осям симметрии прямоугольных полос (параллелепипедов), стороны и площади оснований которых соотносятся как 0,33 - 0,15, причем больший параллелепипед, содержащий два электрода, нанесен на материал, сорбирующий влагу, непосредственно под которым в кремниевой пластине выполнено углубление, проходящее через слои оксида и нитрида, при этом на последний установлен двумя краями основания малый параллелепипед по обеим сторонам' от углубления, снабженный двумя дополнительными электродами, а материал, сорбирующий влагу выполнен на основе смеси оксидов кремния и алюминия в соотношении 0,72 0,51, легированной оксидами меди в пределах 3 6%. В заявляемом устройстве использовано явление физической адсорбции. Для увеличения чувствительности к физической адсорбции при которой происходит изменение зарядового состояния поверхности, но молекулы не диффундируют в большинстве своем в объем, произведена начальная поляризация поверхностной структуры. Это обеспечено наличием слоя нитрида кремния и взаимным расположением малого параллелепипеда, углубления и слоя нитрида. Существенные изменения зарядового состояния поверхности при физической адсорбции позволили получить значения постоянной времени ниже 0,5с. Начальная поляризация, помимо снижения постоянной времени, при определенной геометрии полос поликремния позволяет обеспечить при адсорбции молекул воды междолинное перераспределение электронной плотности. Это будет проявляться в виде разности потенциалов на дополнительных электродах малого параллелепипеда. Чувстви тельность заявляемого устройства составляет 80 - 100мВ на один процент влажности. Это очень большой сигнал на единицу изменения параметра. Чувстви тельность прототипа и аналогичных ему приборов лежит в пределах 2 - 34мВ на 1% влажности. В зависимости от соотношения площадей оснований и сторон параллелепипедов меняется характер протекания тока между электродами большого параллелепипеда, что влияет на междолинное перераспределение электронной плотности. Наиболее эффективным соотношением в данном случае является величина 1:5. Пределы легирования 3 - 6ат.% оксида ми меди определены экспериментально. Этот интервал значений определяет распределение электронной плотности по поверхности между атомами и адсорбционные свойства. Эти структурные особенности поверхностного слоя определяют валентное состояние каждого компонента поверхностного слоя или степень его окисления. При концентрации оксидов меди меньше 3ат.% и соотношении оксидов кремния и алюминия 1,8 : 2,5 медь восстанавливается, а в случае более 6ат.% (и, соответственно, оксидов кремния и алюминия 2,5 : 3,5) - находится в устойчивом валентном состоянии Высокая чувствительность датчика обеспечивается еще и перераспределением электронной плотности при адсорбции в результате реакции Таким образом совокупность существенных признаков обеспечивает повышение чувствительности и уменьшение постоянной времени, На фиг.1 показан поперечный разрез чувствительного элемента датчика влажности, проходящий по оси симметрии малого параллелепипеда, на фиг.2 - слой поликремния, сформированный в виде двух взаимно перпендикулярных прямоугольных полос (параллелепипедов) с двумя электродами большого параллелепипеда и двумя дополнительными электродами малого. Чувствительный элемент датчика влажности содержит полупроводниковую (кремниевую) пластину 1, на поверхность 2 которой последовательно нанесены слои окисла 3 и нитрида 4 кремния. Поверх нитрида 4 сформирован слой поликремния в виде двух прямоугольных взаимно перпендикулярных по осям симметрии параллелепипедов: большого 5 и малого 6. Большой параллелепипед 5, содержащий два электрода 7 и 8, нанесен на материал 9, сорбирующий влагу. Непосредственно под материалом 9 выполнено углубление 10, проходящее через слои 3 и 4. На слой нитрида 4 частично нанесен малый параллелепипед 6 по обеим сторонам от углубления 10 и снабжен дополнительными электродами 11 - 12. Для защиты поверхности поликремния при технологических операциях поверх слоя поликремния (параллелепипеды 5 и 6) нанесены последовательно дополнительные оси пиролитического окисла кремния 13 и нитрида кремния 14. В этих слоях выполняются перед нанесением электродов 7, 8 и 11, 12 окна 15. Доступ влаги обеспечивается только со стороны углубления 10. Остановимся на микроструктуре поверхностного слоя, являющегося материалом 9, сорбирующим влагу. Материал 9 легируется мышьяком. Ионы мышьяка, частично окисляясь, также образуют поверхностные окислы. В сочетании с другими атомами образуют слой, сильно поляризующийся при взаимодействии с водой. Значительную роль в этом играют медь и алюминий. При сочетании 1,8 : 2,5 - 2,5 : 3,5 оксидов кремния и алюминия медь находится на поверхности в виде двух оксидов и Причем одновалентной меди больше. Взаимодействуя с молекулами атомы меди поляризуются и частично доокисляются. При уменьшении парциального давления паров воды молекулы десорбируются, атомы меди переходят в одновалентное состояние за счет "раскисления" нижележащим слоем смеси оксидов кремния и алюминия. Данная реакция определяется перераспределением зарядовой плотности. Устройство работает следующим образом, При отсутствии паров воды за счет выполнения специальной геометрии и наличия нитридного слоя 4 обусловливается начальное зарядовое состояние структуры 5, 9, которое задается величиной тока, протекающего через электроды 7, 8 большого параллелепипеда 5. На дополнительных электродах 11, 12 может появиться начальный сигнал 2 - 5мВ за счет технологического несовпадения осей симметрии параллелепипедов. При адсорбции молекул воды на поверхности материала 9 изменяется зарядовое состояние, что в свою очередь меняет характер протекания тока через параллелепипед 5. На дополнительных электродах 11 и 12 появляется разность потенциалов, пропорциональная количеству влаги, обусловленная междолинным перераспределением электронной плотности. Таким образом, совокупность новых существенных признаков позволила одновременно повысить чувствительность датчика за счет применения эффектов поляризации и перекачки электронной плотности между долинами и уменьшить постоянную времени. Это стало возможным в результате отказа от диффузионных явлений в пористых телах и применения принципов изменения зарядовых состояний поверхности при физической адсорбции.