露点传感器芯片是一种新型的露点传感器,测量原理是电学原理,即“结露”前后芯片上薄膜交指电容器介质的有效介电常数明显不同,电容量差别很大。由于这种芯片很小、很薄,可以使用半导体致冷器为冷源,因此体积很小,而且温度控制灵敏、测量周期短,用它可以制造出便携式、高精度、在线式的露点测量仪表。相比之下,传统的冷镜式露点传感器根据的是光学原理,在“结露”后,镜面对光的反射能力明显减弱。由于它存在光路系统,因此结构复杂,而且一般使用液氮或干冰作为冷源,因此,需要有相应的蒸发器,不仅体积较大,操作复杂,而且温度很难精确控制。
露点传感器芯片的图样和结构图如图1所示。传感器基片使用f 10mm′ 0.3mm的99%Al2O3单面抛光片,在基片的抛光面上采用薄膜工艺用0.05m m厚的Cr打底,制作了交指电容器和铂电阻器,交指电容器采用3m m的金层作为电容极板,交指的线条宽度和间距均为50m m;铂电阻器的宽度亦为50m m,铂薄膜厚度为0.1m m。在交指电容器和铂电阻器的电极上覆以5m m的金层作为焊接层。除了电极焊接区以外,整个表面覆以0.2m m的SiO2作为钝化层。
露点传感器芯片上的交指电容器的局部剖面如图2所示。在常态下,交指电容器的电介质由空气、SiO2和Al2O3叠加组成,在Al2O3基片表面结露后,交指电容器的电介质里多了一薄层 “水”介质,由于水的相对介电常数非常大,很薄的露水就可以使交指电容器的电容量变得很大。
在露点传感器芯片上还用溅射工艺制作了薄膜铂电阻器,经过温度标定后,用来指示Al2O3基片的表面温度。使用时,露点传感器芯片应当被安置在与之相配套的半导体致冷器上并制作配套仪表。在受控直流电流作用下,半导体致冷器冷面的温度按一定的速度下降,当温度下降到传感器芯片表面结露时,交指电容器的电容值变大,此时铂电阻器的温度就是“露点”。在 8个传感器样品中,在室内温度为26℃时测得铂电阻器的电阻值为95~112W ,在室内温度为26℃、室内相对湿度为56%时用1kHz频率测得交指电容器的电容值为14~22pF。此露点传感器芯片可测量露点的下限基本取决于与之配套的半导体致冷器的致冷温度下限。