專利名稱:濕度測量儀的制作方法
本實用新型是以金屬——氧化物——半導(dǎo)體型Al2O3濕度傳感器作為測濕元件的濕度測量儀，屬于測量環(huán)境濕度的儀器。
金屬——氧化物——半導(dǎo)體型Al2O3濕度傳感器是典型的MOS電容器，通過多孔Al2O3在不同氣相濕度條件下吸脫濕后MOS電容器介電常數(shù)的變化所反映的MOS電容變化來測量氣相濕度。為對這類濕度傳感器所反映的濕度變化進(jìn)行測量，必須配有適當(dāng)?shù)臏y量儀表。本實用新型就是以MOS型Au－Al2O3－Si濕度傳感器配以專門的電容測量儀表構(gòu)成的。
作為測濕元件的MOS型Al2O3濕度傳感器，近年來已得到較快的發(fā)展，它具有重量輕、體積小、靈敏、方便、連續(xù)檢測等優(yōu)點，通過制作工藝的控制，可以分別制成絕對濕度傳感器和相對濕度傳感器(如美國專利US 4143177，US4277742)。但由于已有的MOS型Al2O3傳感器中，作為氧化層的多孔Al2O3的晶相結(jié)構(gòu)都是微細(xì)r相和大量無定型Al2O3的混合相，而r－Al2O3十分活潑，表面能態(tài)高，當(dāng)化學(xué)吸附水汽成OH基團(tuán)時，容易發(fā)生相變，最終生成Al(OH)3，并伴隨著體積增大，使Al2O3的孔洞變小，孔深變淺，Al2O3的表面積減小，吸附容量也隨之變小，傳感器性能不穩(wěn)定，靈敏度降低，引起傳感器性能長期漂移。特別是相對濕度傳感器通常在大氣下使用，環(huán)境水含量高，性能漂移更為嚴(yán)重，因此MOS型Al2O3相對濕度傳感器在工藝上更加困難，不易做好。要既能測量低濕絕對濕度和高濕相對濕度的MOS型Al2O3濕度傳感器更難實現(xiàn)。
另外，通常的電容測量儀可采用(1)諧振法；(2)雙T網(wǎng)絡(luò)法；(3)充放電時間測量法；(4)電橋測量法；(5)正交分量法。上述前三種方法的測量誤差太大，不適用于濕度測量；而電橋法雖然測量范圍大(1×10－8～103μf)、精度高(優(yōu)于1×10－4)，但成本高，使用麻煩。此外，這四種方法都要受到被測電容漏電阻的影響。而Si－MOS型多孔Al2O3濕度傳感器的等效電路是RC并聯(lián)型電路，其漏電阻R隨濕度和其它條件影響，變化幅度較大，因此上述前四種方法難以消除漏電阻的影響，難以正確測量反映濕度變化的電容值。最后一種正交分量法是向RC并聯(lián)電路輸入正弦信號，信號通過移相電路產(chǎn)生相移，分成相位差為90°的實數(shù)與虛數(shù)部分，通過相敏檢波網(wǎng)絡(luò)直接測量只反映電容值的正交分量(虛數(shù)部份)，從而可避免電阻變化的影響。因此，正交分量法不但精度高，線路簡單，具有快速、穩(wěn)定的特點，而且能有效的消除RC電路中，電阻R的變化對電容測量的影響，應(yīng)是特別適合MOS型濕度傳感器的二次儀表。雖然該方法的電容測量范圍不如電橋法寬，但測量MOS型濕度傳感器所反映的電容值范圍，則完全可以滿足?？上?，這一測量方法尚未在濕度測量儀上得到使用。
本實用新型的目的在于針對現(xiàn)有濕度測量儀器的不足，使?jié)穸葴y量儀能夠穩(wěn)定，連續(xù)地測量絕對濕度或者相對濕度，并能有效地排除MOS結(jié)構(gòu)漏電阻對測量精度的影響，解決MOS型Al2O3濕度傳感器性能的長期漂移問題。
本實用新型的特征在于制備α相Al2O3代替原有陽極氧化的r相Al2O3作為Si－MOS結(jié)構(gòu)Al2O3濕度傳感器的氧化層，由于α相Al2O3表面能態(tài)極低，化學(xué)性能穩(wěn)定，不產(chǎn)生水的化學(xué)吸附，不發(fā)生相變，從而成功地解決了原有MOS型Al2O3濕度傳感器的長期漂移，使傳感器能夠長期、穩(wěn)定地連續(xù)測量并實現(xiàn)了既可測量絕對濕度又可測量相對濕度。同時，本實用新型還采用正交分量法電容測量儀測量反映濕度變化的MOS電容值，排除了MOS結(jié)構(gòu)漏電阻對測量的影響。
圖1是本實用新型的金屬——α·Al2O3——Si(Si－MOS型α·Al2O3)濕度傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖中〔1〕是低阻P型Si單晶，電阻率在10－3Ω－cm范圍?！?〕是二氧化硅，〔3〕是Al2O3與Si襯底接觸處的薄層SiO2，〔4〕是多孔α·Al2O3，〔5〕是Au或Cr－Au上電極，〔6〕是下電極(Au層)。
圖2是正交分量法電容測量儀的方框圖。它作為本實用新型濕度測量儀的二次儀表，將Si－MOS型α·Al2O3濕度傳感器所反映的濕度直接數(shù)字顯示，它既可測量絕對濕度，又可測量相對濕度。圖中〔11〕是3－10KC振蕩器，作為信號源；〔12〕是90°移相器；〔13〕是移相輸出；〔14〕是相敏檢波器；〔15〕是濾波器；〔16〕是液晶數(shù)字顯示器；〔17〕是對數(shù)轉(zhuǎn)換器；〔18〕是運算放大器；〔19〕是直流10V穩(wěn)壓電源；虛線框中是Si－MOS型Al2O3濕度傳感器的等效電路，其中Co是MOS結(jié)構(gòu)濕度傳感器的起始電容，Cx是反映濕度變化的被測電容，Rp是MOS電容的漏電阻。R1，R2是輸入電阻；Rf是反饋電阻；Us是輸入信號通過MOS型濕度傳感器后的輸出信號，電容值的變化包含在輸出信號的正交分量中。本實用新型采用3－10KC／sec振蕩器〔11〕作為信號源，可減少高頻信號帶來的相位漂移等影響。
圖3是濕度測量儀，圖中〔21〕是Si－MOS型α·Al2O3濕度傳感器，它是以圖1的結(jié)構(gòu)作為管芯〔22〕，用銀漿把管芯固定在管座〔23〕上，〔24〕是塑料保護(hù)網(wǎng)罩，〔25〕是與電容測量儀相連的電纜，〔26〕是正交分量法電容測量儀，〔27〕是測量儀面板上的數(shù)字顯示器，〔28〕測量儀面板上的功能換檔琴鍵，〔29〕是指示燈，〔30〕是電源開關(guān)，〔31〕電源引線，〔32〕是電源插頭。
作為本實用新型的實施例可如圖3所示。濕度傳感器〔21〕通過電纜與電容測量儀〔23〕相連，電容測量儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如框圖2所示。圖3中的面板數(shù)字顯示器〔27〕即是圖2中的液晶數(shù)字顯示器〔16〕。
本實用新型的濕度測量儀可直接顯示－80℃－＋10℃露點范圍的絕對濕度(精度±3°露點)和0～100％的相對濕度(精度±5％)。本實用新型電路簡單，測量重復(fù)性好，沒有長期性能漂移，在濕度傳感器漏電阻低于20～30KΩ時，仍能正常工作。該測量儀可用于工業(yè)過程的濕度監(jiān)控，環(huán)境濕度的監(jiān)測與控制，超純氣體中水含量的分析測量，氣密封裝電子器件中濕度的檢測及器件可靠性和失效機理的分析研究等領(lǐng)域。
權(quán)利要求
1.一種由Si-MOS型Al2O3濕度傳感器和電容測量儀構(gòu)成的濕度測量儀，本實用新型的特征在于Si-MOS型Al2O3濕度傳感器中的氧化鋁是α相Al2O3，并采用能直接測量反映濕度變化的MOS電容值的正交分量法電容測量儀。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的濕度測量儀，其特征在于正交分量法電容測量儀的信號源頻率為3～10KC／sec。
專利摘要
本實用新型是以Si-MOS型Al
文檔編號G01W1/00GK86204690SQ86204690
公開日1987年7月29日 申請日期1986年10月17日
發(fā)明者曹德福, 駱如枋 申請人:中國科學(xué)院上海冶金研究所導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan