湿度测量仪制造技术

本实用新型专利技术是以Ｓｉ－ＭＯＳ型Ａｌ－［２］Ｏ－［３］湿度传感器为测湿元件的湿度测量仪．它采用α相Ａｌ－［２］Ｏ－［３］作为ＭＯＳ结构的氧化层并以正交分量法电容测量仪作为二次仪表，可重复稳定地测量－８０℃～＋１０℃露点范围的绝对湿度和０－１００％的相对湿度．仪器读数稳定，不发生长期漂移，可用于工业过程的湿度监控，环境湿度的检测与控制，超纯气体中含水量的分析测量，气密封装电子器件中湿度的检测及器件可靠性和失效机理的研究等领域．（*该技术在1996年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本技术是以金属——氧化物——半导体型Al2O3湿度传感器作为测湿元件的湿度测量仪，属于测量环境湿度的仪器。金属——氧化物——半导体型Al2O3湿度传感器是典型的MOS电容器，通过多孔Al2O3在不同气相湿度条件下吸脱湿后MOS电容器介电常数的变化所反映的MOS电容变化来测量气相湿度。为对这类湿度传感器所反映的湿度变化进行测量，必须配有适当的测量仪表。本技术就是以MOS型Au－Al2O3－Si湿度传感器配以专门的电容测量仪表构成的。作为测湿元件的MOS型Al2O3湿度传感器，近年来已得到较快的发展，它具有重量轻、体积小、灵敏、方便、连续检测等优点，通过制作工艺的控制，可以分别制成绝对湿度传感器和相对湿度传感器(如美国专利US 4143177，US4277742)。但由于已有的MOS型Al2O3传感器中，作为氧化层的多孔Al2O3的晶相结构都是微细r相和大量无定型Al2O3的混合相，而r－Al2O3十分活泼，表面能态高，当化学吸附水汽成OH基团时，容易发生相变，最终生成Al(OH)3，并伴随着体积增大，使Al2O3的孔洞变小，孔深变浅，Al2O3的表面积减小，吸附容量也随之变小，传感器性能不稳定，灵敏度降低，引起传感器性能长期漂移。特别是相对湿度传感器通常在大气下使用，环境水含量高，性能漂移更为严重，因此MOS型Al2O3相对湿度传感器在工艺上更加困难，不易做好。要既能测量低湿绝对湿度和高湿相对湿度的MOS型Al2O3湿度传感器更难实现。另外，通常的电容测量仪可采用(1)谐振法；(2)双T网络法；(3)充放电时间测量法；(4)电桥测量法；(5)正交分量法。上述前三种方法的测量误差太大，不适用于湿度测量；而电桥法虽然测量范围大(1×10－8～103μf)、精度高(优于1×10－4)，但成本高，使用麻烦。此外，这四种方法都要受到被测电容漏电阻的影响。而Si－MOS型多孔Al2O3湿度传感器的等效电路是RC并联型电路，其漏电阻R随湿度和其它条件影响，变化幅度较大，因此上述前四种方法难以消除漏电阻的影响，难以正确测量反映湿度变化的电容值。最后一种正交分量法是向RC并联电路输入正弦信号，信号通过移相电路产生相移，分成相位差为90°的实数与虚数部分，通过相敏检波网络直接测量只反映电容值的正交分量(虚数部份)，从而可避免电阻变化的影响。因此，正交分量法不但精度高，线路简单，具有快速、稳定的特点，而且能有效的消除RC电路中，电阻R的变化对电容测量的影响，应是特别适合MOS型湿度传感器的二次仪表。虽然该方法的电容测量范围不如电桥法宽，但测量MOS型湿度传感器所反映的电容值范围，则完全可以满足。可惜，这一测量方法尚未在湿度测量仪上得到使用。本技术的目的在于针对现有湿度测量仪器的不足，使湿度测量仪能够稳定，连续地测量绝对湿度或者相对湿度，并能有效地排除MOS结构漏电阻对测量精度的影响，解决MOS型Al2O3湿度传感器性能的长期漂移问题。本技术的特征在于制备α相Al2O3代替原有阳极氧化的r相Al2O3作为Si－MOS结构Al2O3湿度传感器的氧化层，由于α相Al2O3表面能态极低，化学性能稳定，不产生水的化学吸附，不发生相变，从而成功地解决了原有MOS型Al2O3湿度传感器的长期漂移，使传感器能够长期、稳定地连续测量并实现了既可测量绝对湿度又可测量相对湿度。同时，本技术还采用正交分量法电容测量仪测量反映湿度变化的MOS电容值，排除了MOS结构漏电阻对测量的影响。图1是本技术的金属——α·Al2O3——Si(Si－MOS型α·Al2O3)湿度传感器的结构图。图中〔1〕是低阻P型Si单晶，电阻率在10－3Ω－cm范围。〔2〕是二氧化硅，〔3〕是Al2O3与Si衬底接触处的薄层SiO2，〔4〕是多孔α·Al2O3，〔5〕是Au或Cr－Au上电极，〔6〕是下电极(Au层)。图2是正交分量法电容测量仪的方框图。它作为本技术湿度测量仪的二次仪表，将Si－MOS型α·Al2O3湿度传感器所反映的湿度直接数字显示，它既可测量绝对湿度，又可测量相对湿度。图中〔11〕是3－10KC振荡器，作为信号源；〔12〕是90°移相器；〔13〕是移相输出；〔14〕是相敏检波器；〔15〕是滤波器；〔16〕是液晶数字显示器；〔17〕是对数转换器；〔18〕是运算放大器；〔19〕是直流10V稳压电源；虚线框中是Si－MOS型Al2O3湿度传感器的等效电路，其中Co是MOS结构湿度传感器的起始电容，Cx是反映湿度变化的被测电容，Rp是MOS电容的漏电阻。R1，R2是输入电阻；Rf是反馈电阻；Us是输入信号通过MOS型湿度传感器后的输出信号，电容值的变化包含在输出信号的正交分量中。本技术采用3－10KC／sec振荡器〔11〕作为信号源，可减少高频信号带来的相位漂移等影响。图3是湿度测量仪，图中〔21〕是Si－MOS型α·Al2O3湿度传感器，它是以图1的结构作为管芯〔22〕，用银浆把管芯固定在管座〔23〕上，〔24〕是塑料保护网罩，〔25〕是与电容测量仪相连的电缆，〔26〕是正交分量法电容测量仪，〔27〕是测量仪面板上的数字显示器，〔28〕测量仪面板上的功能换档琴键，〔29〕是指示灯，〔30〕是电源开关，〔31〕电源引线，〔32〕是电源插头。作为本技术的实施例可如图3所示。湿度传感器〔21〕通过电缆与电容测量仪〔23〕相连，电容测量仪的内部结构如框图2所示。图3中的面板数字显示器〔27〕即是图2中的液晶数字显示器〔16〕。本技术的湿度测量仪可直接显示－80℃－＋10℃露点范围的绝对湿度(精度±3°露点)和0～100％的相对湿度(精度±5％)。本技术电路简单，测量重复性好，没有长期性能漂移，在湿度传感器漏电阻低于20～30KΩ时，仍能正常工作。该测量仪可用于工业过程的湿度监控，环境湿度的监测与控制，超纯气体中水含量的分析测量，气密封装电子器件中湿度的检测及器件可靠性和失效机理的分析研究等领域。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种由Ｓｉ—ＭＯＳ型Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］湿度传感器和电容测量仪构成的湿度测量仪，本实用新型的特征在于Ｓｉ—ＭＯＳ型Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］湿度传感器中的氧化铝是α相Ａｌ↓［２］Ｏ↓［３］，并采用能直接测量反映湿度变化的ＭＯＳ电容值的正交分量法电容测量仪。

【技术特征摘要】
1.一种由Si-MOS型Al2O3湿度传感器和电容测量仪构成的湿度测量仪，本实用新型的特征在于Si-MOS型Al2O3湿度传感器中的氧化铝是α相Al2O3，并采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹德福，骆如枋，
申请(专利权)人：中国科学院上海冶金研究所，
类型：实用新型
国别省市：31[中国|上海]