《高級(jí)傳感器》翻譯

目錄TOC\o"1-5"\h\z第五章熱傳感器 45.1基本概念 4\o"CurrentDocument"5.1.1熱學(xué)被測(cè)量 4\o"CurrentDocument"5.1.2應(yīng)用考慮 4\o"CurrentDocument"5.1.3熱傳感器的分類(lèi) 55.2熱電偶 55.2.1熱電效應(yīng) 5\o"CurrentDocument"5.2.2半導(dǎo)體熱電偶 65.3熱敏電阻器 85.3.1金屬熱敏電阻器 8\o"CurrentDocument"5.3.2電熱調(diào)節(jié)器 9\o"CurrentDocument"5.4熱二極管 10\o"CurrentDocument"基本原理 10\o"CurrentDocument"5.4.2熱敏二極管的集成電路 12\o"CurrentDocument"5.5熱敏晶體管 12\o"CurrentDocument"基本原理 12\o"CurrentDocument"5.5.2完整的裝置 135.6其它的電子傳感器 135.6.1熱電偶繼電器溫度調(diào)節(jié)器 13\o"CurrentDocument"5.6.2熱量計(jì) 14\o"CurrentDocument"5.7無(wú)電的熱傳感器 14\o"CurrentDocument"5.7.1溫度計(jì) 14\o"CurrentDocument"5.7.2溫度指示器和光學(xué)（導(dǎo)）纖維的感應(yīng)器 14\o"CurrentDocument"5.7.3表面超聲波器件 15\o"CurrentDocument"第六章 磁電式傳感器 15\o"CurrentDocument"6.1基本的概括和定義 15\o"CurrentDocument"6.1.1磁性的介紹 15\o"CurrentDocument"6.1.2傳感器的磁效應(yīng) 16\o"CurrentDocument"6.1.3磁微傳感器的分類(lèi) 16\o"CurrentDocument"6.2霍爾器件 17\o"CurrentDocument"6.2.1霍爾效應(yīng) 17\o"CurrentDocument"6.2.2集成霍爾傳感器 18\o"CurrentDocument"6.3磁控電阻器 19\o"CurrentDocument"6.3.1半導(dǎo)體 19\o"CurrentDocument"6.3.2磁性薄膜 20\o"CurrentDocument"6.4磁二極管 20\o"CurrentDocument"6.5磁敏晶體管 21\o"CurrentDocument"弓|言 21\o"CurrentDocument"6.5.2橫向磁敏晶體管 21\o"CurrentDocument"6.5.3垂直磁敏晶體管 21\o"CurrentDocument"6.6聲磁場(chǎng)微傳感器 22\o"CurrentDocument"6.7SQUIDs（超導(dǎo)量子干涉器件） 22\o"CurrentDocument"第七章生物化學(xué)微傳感器 247.1簡(jiǎn)介 24\o"CurrentDocument"定義 24\o"CurrentDocument"分類(lèi) 24\o"CurrentDocument"應(yīng)用 25\o"CurrentDocument"7.2化學(xué)電阻器 25\o"CurrentDocument"7.2.1介紹 25\o"CurrentDocument"7.2.2金屬氧化物氣體傳感器 25\o"CurrentDocument"7.2.3有機(jī)氣體傳感器 27\o"CurrentDocument"7.3化學(xué)電容器 277.4化學(xué)二極管 28\o"CurrentDocument"7.4.1無(wú)機(jī)肖特基裝置 287.4.2有機(jī)的肖特基裝置 28\o"CurrentDocument"7.5化學(xué)傳感器 28\o"CurrentDocument"7.5.1金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）氣體傳感器 28\o"CurrentDocument"7.5.2離子選擇性場(chǎng)效應(yīng)晶體管 297.6熱化學(xué)微傳感器 29\o"CurrentDocument"7.6.1熱敏電阻 29\o"CurrentDocument"7.6.2載體催化氣體傳感器 30\o"CurrentDocument"7.7質(zhì)量敏感化學(xué)微傳感器 31\o"CurrentDocument"7.7.1基本原則 31\o"CurrentDocument"7.7.2QMB和壓電SAW器件 32\o"CurrentDocument"7.7.3電容超聲波質(zhì)量傳感器 34\o"CurrentDocument"7.7.4電容蘭姆波傳感器 34第五章熱傳感器5.1基本概念5.1.1熱學(xué)被測(cè)量熱傳感器用來(lái)測(cè)量許多與熱有關(guān)的量，例如溫度，熱通量和熱容。溫度是可能的最基本的變量并提供熱能的測(cè)量或是加熱一個(gè)物體。物體的溫度同時(shí)也與其他熱量有關(guān)。物體中的熱量Q（單位是焦耳）與其絕對(duì)溫度（在K氏溫度里）成正比。(5.1)Q=mcT(5.1)其中比例系數(shù)mc是熱容量，m是質(zhì)量，c是每單位質(zhì)量的熱容或特定的熱容（單位是J/kgK），它是材料的基本性質(zhì)。物體的特定熱容是一個(gè)物體儲(chǔ)存熱能量的能力，類(lèi)似于電容的容積是儲(chǔ)存電能的。兩個(gè)不同溫度的相鄰物體和區(qū)域像一個(gè)流動(dòng)的電壓以至于熱量可以從高溫區(qū)流向低溫區(qū)。比率華是當(dāng)電流經(jīng)過(guò)一個(gè)區(qū)域時(shí)由溫度梯度AV=（V-V）=性ln[%]和區(qū)域dt be be1 be2 e"i/的熱容K決定的。公式為：q=華=-kA（d-或者，更通常的，-kAVT（5.2）dtdx其中a是區(qū)域通過(guò)熱流時(shí)的截面積，并且V是三級(jí)梯度向量算子。物體的熱阻RT被定義為測(cè)量當(dāng)熱流經(jīng)過(guò)時(shí)，物體阻礙熱流的能力。熱阻與材料的導(dǎo)熱性和物體的幾何形狀有關(guān)：R=L/kA （5.3）其中L是物體的長(zhǎng)度。因此，溫度和熱流量是基本變量，相當(dāng)于電氣系統(tǒng)中的電壓V和電流i。熱容和熱阻被描述成系統(tǒng)的基本性質(zhì)，類(lèi)似于電容C和電阻R。在表5.1中，展示了熱系統(tǒng)和電系統(tǒng)的相似之處，過(guò)去常用來(lái)輔助了解熱系統(tǒng)反應(yīng)模型和特性。這里，熱不等同于電氣電感L，當(dāng)然熱系統(tǒng)的實(shí)際行為是非線性的，因?yàn)闊崛莺蜔嶙杩傮w上取決于溫度。然而，熱系統(tǒng)或熱傳感器的一個(gè)線性模型通常能有其特點(diǎn)行為的好評(píng)價(jià)。舉例來(lái)說(shuō)，一個(gè)實(shí)際熱時(shí)間常數(shù)的有效估計(jì)是從第一階系統(tǒng)中物體短暫響應(yīng)的簡(jiǎn)單模型中獲得的，例如一個(gè)指數(shù)函數(shù)。5.1.2應(yīng)用考慮溫度可能是最重要的過(guò)程參數(shù)，在1987年被賣(mài)的所有固體傳感器中的40%都是熱傳感器。例如，溫度在絕大多數(shù)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中是很重要的，當(dāng)化學(xué)反應(yīng)的速率是遵循阿累尼斯關(guān)系根據(jù)溫度呈現(xiàn)指數(shù)倍增長(zhǎng)的。所以溫度在許多過(guò)程中需要被測(cè)量，并且都是重要的參數(shù)，甚至以某種方式被控制或者補(bǔ)償。許多材料加工工藝的范圍從傳統(tǒng)的鋼和其他金屬的燒鑄到單晶硅的微加工都需要溫度的測(cè)量。溫度不僅被測(cè)量在植物，汽車(chē)（如發(fā)動(dòng)機(jī)），家電應(yīng)用（如電冰箱），醫(yī)學(xué)（如人體溫度）和環(huán)境（如大氣溫度）中。還用在非熱傳感器中的次要傳感變量，例如氣體傳感器或機(jī)械風(fēng)流量傳感器。溫度傳感器常用來(lái)補(bǔ)償由成分或手段或一部分控制電路（如自動(dòng)調(diào)溫器）引起的溫度變化所造成的誤差。這樣熱傳感器就形成了目前最大規(guī)模和最重要的傳感器類(lèi)型。5.1.3熱傳感器的分類(lèi)通過(guò)定義，熱傳感器是接觸型的傳感器而不是非接觸型傳感器，傳感元素直接接觸熱源。熱信號(hào)是從熱源中產(chǎn)生的，通過(guò)傳感元素通常產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)或模擬電信號(hào)來(lái)傳導(dǎo)熱。非接觸傳感器分為輻射傳感器。輻射溫度傳感器的檢測(cè)是由物體（如集熱電探測(cè)器）發(fā)出的電磁波完成的。表5.2顯示了一個(gè)熱傳感器家族的分類(lèi)概略圖。大多數(shù)熱電傳感器是調(diào)制的而不是自激產(chǎn)生的，但有兩個(gè)例外，一個(gè)是熱電偶（或熱電堆）它能通過(guò)兩個(gè)結(jié)合點(diǎn)的不同溫度產(chǎn)生電磁輻射，另一個(gè)是熱噪聲傳感器。大多數(shù)熱導(dǎo)傳感器如：熱調(diào)節(jié)器，熱電二極管，熱電晶體管，能分類(lèi)為微傳感器。然而，傳統(tǒng)的溫度傳感器例如汞填充物溫度計(jì)不是微傳感器，這里將不詳細(xì)討論。從表5.3中可以看出接觸式熱傳感器包括一個(gè)大范圍的溫度。（例如，從1.5到2700K），然而非接觸熱集電輻射傳感器能測(cè)量的溫度高達(dá)5000K。上表還顯示了溫度的范圍由標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量技術(shù)測(cè)量，這是典型的結(jié)果。使用液體填充物溫度計(jì)或鉑阻溫度計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是其有一個(gè)幾乎是常數(shù)的電阻溫度系數(shù)（TRC），也就是在一個(gè)重要的溫度范圍內(nèi)輸出是直接與溫度成比例的。然而硅和其他材料的不同的電阻溫度系數(shù)目前僅是一個(gè)輕微的缺陷，因?yàn)樗梢允沟玫统杀镜闹谱骶€性模擬電路或數(shù)字校準(zhǔn)電路。每種類(lèi)型的熱傳感器的物理原理將會(huì)被仔細(xì)的考慮。這將有利于解釋每種類(lèi)型的傳感器的局限和決定其適當(dāng)?shù)膽?yīng)用。5?2熱電偶5.2.1熱電效應(yīng)當(dāng)有兩種不同的金屬（如銅和鐵）和連接點(diǎn)組成的一塊電路會(huì)在不同的溫度下有效，然后會(huì)產(chǎn)生電磁幅射，電流在它們之間流動(dòng)。圖5.1顯示了在溫度T下兩種金屬（銅和鎳）^A.連接點(diǎn)的基本排列當(dāng)?shù)诙€(gè)參考連接點(diǎn)在不同溫度Tb下有效。熱電電動(dòng)勢(shì)△V通過(guò)連接點(diǎn)由一個(gè)伏特計(jì)來(lái)測(cè)量產(chǎn)生的，通常有一個(gè)高負(fù)載電阻rl。裝置通常是作為熱電偶被提及的，并且已知的熱電效應(yīng)是塞貝克效應(yīng)。開(kāi)放電路電壓△V取決于在熱電偶ta和參考點(diǎn)tb之間不同的溫度。這是和熱電系數(shù)（塞貝克系數(shù)）或者熱功PA相關(guān)的，熱功是材料特定的，由下式給出：(5.4)在工作中的熱電偶需要兩種金屬，熱電系數(shù)通過(guò)熱電偶PS被測(cè)量，其中熱電偶PS是P=PB-PA （5.5）其中Pb是參考金屬B的熱電系數(shù)。表5.4列出了熱電系數(shù)的電動(dòng)勢(shì)△匕，由一些典型金屬和關(guān)于鉑的標(biāo)準(zhǔn)合金在0oC產(chǎn)生，這里：AV=（P-P）AV （5.6）TABT從表5.4通過(guò)兩種列出的值為任何熱電偶獲得電動(dòng)勢(shì)是可能的。理想地，一個(gè)熱電偶應(yīng)該有一個(gè)臂是用高電動(dòng)勢(shì)材料制造的，例如，鐵的在+3.45mV，另一個(gè)是用低電動(dòng)勢(shì)材料制作的，例如：鎳的在-3.10mV。最終200oC的溫度傾斜的電動(dòng)勢(shì)因此是6.64mV或者一個(gè)熱功為33.2uV/K。表也包含了熱功是由溫度決定的涵義，在各種材料這個(gè)溫度范圍內(nèi)金屬（和合金）的熱電效應(yīng)是很小的，它的精確值是不容易被預(yù)測(cè)的。然而，熱電動(dòng)勢(shì)（或者電化學(xué)電勢(shì)）是經(jīng)常被結(jié)合，通過(guò)費(fèi)米能量EF和擴(kuò)散電勢(shì)中組合的變化。費(fèi)米水平效應(yīng)A'由下式給出，AV=PAT=AEf （5.7）FS q其中q是電子電荷。金屬的費(fèi)米水平取決于它的溫度T和規(guī)定N（E）的密度，由下式給出：（5.8）E(T)=E(0)—兀2竺T2"(ln村(E>ff6dE（5.8）其中Ep（0）是金屬在絕對(duì)0度時(shí)的費(fèi)米水平，k是玻爾茲曼常數(shù)。因此，金屬的溫度增加，像鎳，是由于費(fèi)米水平的降低。一個(gè)更低的費(fèi)米水平在一個(gè)熱的節(jié)點(diǎn)上導(dǎo)致電子流向它，因此產(chǎn)生一個(gè)正的熱電系數(shù)。然而，溫度傾斜也影響金屬內(nèi)電子和聲子的速率。電子和聲子密度的區(qū)別導(dǎo)致一個(gè)擴(kuò)散趨勢(shì)的發(fā)展，它對(duì)抗從費(fèi)米水平變化計(jì)算出來(lái)的電動(dòng)勢(shì)，因此減少了全面的觀測(cè)效果。兩種其他的熱電效應(yīng)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)其對(duì)微傳感器并不重要。首先，珀耳帖效應(yīng)（塞貝克效應(yīng)）發(fā)生在電流流過(guò)不同導(dǎo)體的節(jié)點(diǎn)，熱量不僅被釋放，同時(shí)被吸收，這決定于電流方向。第二，湯姆森效應(yīng)發(fā)生在電流流過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的導(dǎo)體和一個(gè)溫度傾斜被維持，額外的熱量，在焦耳熱量之外，是被激發(fā)和吸收的。然而，因?yàn)殓甓?yīng)和湯姆森效應(yīng)沒(méi)有被使用于傳感器，他們將不被進(jìn)一步討論。5.2.2半導(dǎo)體熱電偶半導(dǎo)體材料通常顯現(xiàn)出比在金屬中觀測(cè)到的更大的熱電效應(yīng)。如前所述，塞貝克效應(yīng)是一種體傳輸性能，它可以根據(jù)溫度梯度和費(fèi)爾米水平的變化（從等式（5.7）中）來(lái)表示:

(5.9)VEF/q=PVT(5.9)其中Ef/q是電化學(xué)勢(shì)①，P，是塞貝克系數(shù)（如：熱功率）。對(duì)于一個(gè)非退化的半導(dǎo)體，塞貝克系數(shù)可以用麥克斯韋-玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)方法來(lái)估計(jì)。有三種主要的效應(yīng)導(dǎo)致三個(gè)分離的階段，每個(gè)階段都改變電化學(xué)勢(shì)。在一個(gè)n型半導(dǎo)體中，塞貝克系數(shù)常由等式（5.10）給出。第一個(gè)階段說(shuō)明了材料在費(fèi)爾米水平和傳導(dǎo)鍵之間的間隙隨溫度變化時(shí)變得更固有的原因，其中n是攙雜水平，N°是在傳導(dǎo)鍵狀態(tài)下的密度，k是玻爾茲曼常量，q是電子電荷。第二個(gè)階段起源于電荷載流子隨溫度增加有有一個(gè)增長(zhǎng)的平均速率。此外，電荷載流子的濺射通常是取決于能量的，s〃是與碰撞和電荷載流子能量之間的平均自由時(shí)間相關(guān)的指數(shù)。s〃取值在-1和+2之間，它取決于熱載流子能自由移動(dòng)還是被增加的濺射所阻礙。最后，溫度的微分引起聲子從熱區(qū)到冷區(qū)的凈流動(dòng)。從熱區(qū)到冷區(qū)的聲子凈位移導(dǎo)致了一個(gè)由中〃表示的電荷載流子的拖動(dòng)。聲子拖動(dòng)的尺寸隨攙雜水平和溫度而變化。典型地，中〃在300K時(shí)在高攙雜硅中取值為0，在低攙雜硅中取值為5。可得到一個(gè)對(duì)p型非退化半導(dǎo)體的類(lèi)似等式，從而產(chǎn)生兩個(gè)等式如下:N型:P=-&{(N型:P=-&{(頃N)+3，q n2)+(1+s)+①n}(5.10.1)P型：P=+k{(ln(Nv)+5sq p2)+(1+s)+① }(5.10.2)其中N^是在原子價(jià)鍵頂端狀態(tài)下的密度，p是接收器濃度。在實(shí)際情況下，塞貝克系數(shù)能有用的與電阻率聯(lián)系起來(lái)，在各種感興趣的溫度下有如下的近似值：(5.11)其中m是一個(gè)無(wú)量綱的常量，取值大約在2.6[5.4]。P0是一個(gè)電阻率常量，為5X10-6Qm。圖5.2顯示了300K時(shí)單晶硅的塞貝克系數(shù)相對(duì)于其在各種攙雜水平下的電阻率的一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。虛線顯示了等式（5.11）與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在理論上的吻合，這種吻合在更高的攙雜水平下是最好的。從圖5.3中可以立刻明顯的看到，硅的塞貝克系數(shù)（?1,000日V/K）大大超過(guò)了先前表中所列的各種金屬的數(shù)值（?10日V/K）。大體的觀測(cè)結(jié)果在考慮由下式定義的“品質(zhì)因數(shù)”時(shí)能很好的被闡明：Z=P2c/k （5.12）s其中c是材料的電導(dǎo)率，K是材料的熱導(dǎo)率。品質(zhì)因數(shù)不僅取決于塞貝克效應(yīng)的大小，

還取決于電導(dǎo)率與熱導(dǎo)率的比率。高的傳導(dǎo)率之比是有好處的，因?yàn)樗试S在低功耗下獲得一個(gè)高的溫度溫度梯度。圖5.4闡明了在一個(gè)熱電傳感器中用半導(dǎo)體材料而不是金屬（或絕緣的）材料的潛在優(yōu)勢(shì)。盡管只是一個(gè)有些拙劣的模型，它指明了載流子密度在1018到102°cm-3之間時(shí)產(chǎn)生一個(gè)頂端性能。早期關(guān)于微熱電堆的工作表明，用在其上有沉積鋁連接器的窄離子注入p型帶制造器件是可能的。主要的問(wèn)題是高的熱導(dǎo)率產(chǎn)生低的器件靈敏度。然而，正如最近報(bào)告的，如圖5.7所示，硅襯底的體微加工允許保留可能僅5到10Rm的薄膜。薄膜很大地增加器件的熱電阻，進(jìn)而增加它的靈敏度。硅器件的高熱電功率（5mV/K）證明了它在溫度傳感方面的潛在應(yīng)用。然而，集成的熱電堆有其他更多的有前景的應(yīng)用，例如流量傳感。5.3熱敏電阻器5.3.1金屬熱敏電阻器雖然金屬和半導(dǎo)體的電阻率隨溫度變化，但是它們性能的特性是不同的。金屬的性能在圖5.5中被解釋?zhuān)K的電阻率在溫度從0到500K的范圍內(nèi)被繪制。在非常低的溫度下（小于20K），電阻率一般是常數(shù)，與溫度無(wú)關(guān)，受電子雜質(zhì)散布的控制（除了超導(dǎo)體以外】在低溫度下（20K到50K），指數(shù)定律被遵循，它與電子雜質(zhì)散布過(guò)程有關(guān)。在大約50K以上的溫度，這種關(guān)系幾乎是線性的并且取決與電子聲子散布。它將超出這個(gè)范圍，也就是在-200°C到+1000°C，金屬熱敏電阻器可以被使用。電阻率的溫度系數(shù)a被定義如下，1d1dp(5.13)a(5.13)rp0dT對(duì)于在近似線性范圍的金屬，電阻率P可以通過(guò)二次多項(xiàng)式很好的被描述:(5.14)p^p(1+aT+pT2)0(5.14)其中p0是在標(biāo)準(zhǔn)溫度0C下的電阻率，a和P是材料常數(shù)。在方程式（5.13），電阻率的溫度系數(shù)被給出，ar?a+2pT （5.15）因此，材料常數(shù)a是電阻率的線性溫度系數(shù)，對(duì)于金屬是正極性的，取一個(gè)典型值5x10-3/K，如表5.5所示。是受歡迎的金屬，因?yàn)樗碾娮枋请S溫度成特別的線性關(guān)系（例如，。是很小的其值為大約5.9X10-7/K2）。表5.5顯示了它的電阻率相對(duì)于其他普通的金屬和合金。盡管鉑沒(méi)有高的電阻率這是對(duì)微器件有利的，它具有相當(dāng)高的TCR（39.2X10-4/K）。更重要的是，高純度的線是可用的而且它具有高的化學(xué)穩(wěn)定性。繞線的鉑電阻溫度計(jì)廣泛的使用，工業(yè)版本符合英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)BS1904（1964）0這些溫度計(jì)覆蓋了很寬的溫度范圍，從15K到1000K有一個(gè)0.1C的非典型的精確度和一個(gè)100歐姆的標(biāo)稱電阻。一個(gè)改進(jìn)的等式（5.17）稱為Callendar-vanDusen等式，用來(lái)校準(zhǔn)鉑線元素。這個(gè)等式擴(kuò)展多項(xiàng)式到四階（條件在T4）。它的穩(wěn)定性使鉑用作溫度參考標(biāo)準(zhǔn)。鎳電阻溫度計(jì)提供了一個(gè)低成本的來(lái)替代鉑，但是其溫度范圍僅從70K到600K。表5.5普通金屬與合金的電阻特性材料電阻特性TCR鎳鉻鐵合金109.02康銅（一種銅鎳的合金）49±0.2錳鎳銅合金43—0.2鈀10.835.7鉑10.639.2鐵9.7165.1銦945鎳6.8467.1鎢5.5046銠4.745.7鋁2.6942金2.339銅1.6743銀1.6342薄膜（大約1微米厚）鉑熱阻是低成本的微型版本的鉑絲溫度計(jì)和具有較低的熱響應(yīng)時(shí)間。商用傳感器達(dá)到一個(gè)精確度為小于正負(fù)0.20°C在70到350°C時(shí)，具有長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定優(yōu)于0.1C每年。低的標(biāo)稱電阻（大約100歐姆）和中等的TCR的金屬熱電阻需要使用一個(gè)電阻的橋梁網(wǎng)絡(luò)去轉(zhuǎn)換信號(hào)。一個(gè)三線補(bǔ)償橋經(jīng)常用做測(cè)量他們的電阻。圖5.6顯示了一個(gè)三線補(bǔ)償橋的圖解。有三個(gè)電阻Rl1，RL2，RL3他們連接熱敏電阻器RT到橋電路中。在平衡時(shí)，沒(méi)有電流流向?qū)Ь€L2,倘若導(dǎo)線上的電阻都相等，將有相等的電壓降通過(guò)其他兩個(gè)導(dǎo)線L1和L3。當(dāng)所有四個(gè)臂（如r1,r2,r3和Rt）都有相等的電阻時(shí)這個(gè)橋具有最高的靈敏度。橋的輸出Vout是大約1mV/0C對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的100歐姆鉑熱敏電阻器和一個(gè)10V直流電壓。5.3.2電熱調(diào)節(jié)器在熱敏電阻器中可能取代金屬的是溫度敏感的半導(dǎo)體電阻，他們由各種金屬氧化物構(gòu)成或者由硅構(gòu)成。這些半導(dǎo)體熱敏電阻器的穩(wěn)定性和精確度比鉑熱敏電阻器差，但是優(yōu)勢(shì)是低的制造成本和綜合接口電路的可能。電熱調(diào)節(jié)器這個(gè)詞通常用來(lái)分類(lèi)那些由陶瓷材料制成的半導(dǎo)體熱敏電阻器。半導(dǎo)體材料（例如：硫化物，硒化物，鎳、錳、銅等的氧化物）被制造成所有種類(lèi)光碟、珠或棒。典型的電熱調(diào)節(jié)器的電阻系數(shù)是比金屬熱敏電阻器的要高很多的，他們的TCR是負(fù)數(shù)而且明顯的非線性，如圖5.7所示。這個(gè)圖表顯示了金屬電阻與其冰點(diǎn)電阻的關(guān)系，為了使鉑和鎳的值標(biāo)準(zhǔn)化熱點(diǎn)調(diào)節(jié)器的電阻系數(shù)P在零功率是通常由下式表示：p=p沖exp[p(1/T-1/T沖)] (5.13)其中p,/在參考溫度Tref(通常是25r而不是0°C)；P是材料常數(shù)。這樣，從等式(5.13),熱敏電阻的TCR為：Q「=-&/T2 (5.17)指數(shù)常數(shù)P典型值為3000到4500K,在25C時(shí)，相應(yīng)的零功率電阻值在500Q到10MQ。電阻隨溫度發(fā)生大的變化，準(zhǔn)許使用熱敏電阻與基本運(yùn)算放大器電路，而不是一個(gè)精確的橋梁網(wǎng)絡(luò)。例如，一個(gè)潛在的分隔器使用標(biāo)準(zhǔn)電阻和電壓放大器(例如用一個(gè)741運(yùn)算放大器)來(lái)緩沖信號(hào)可能已經(jīng)足夠(見(jiàn)圖5.18)，輸出電壓VQut由下式給出：V=R?V (5.18)T隨溫度變化的非線性輸出通常用一個(gè)軟件的查看表來(lái)校準(zhǔn)。當(dāng)熱敏電阻工作時(shí)，跟蹤是必要的，因TCR是強(qiáng)烈的依賴于功率的消耗。那有兩種主要型號(hào)的電流電壓特性如圖5.9。NTC熱敏電阻有一個(gè)相反的溫度電阻率系數(shù)，因此當(dāng)一個(gè)重要的電流經(jīng)過(guò)，產(chǎn)生自加熱，這導(dǎo)致了一個(gè)更高的電流在同一個(gè)供電電壓下。一些金屬氧化材料有正的而不是相反的溫度電阻率系數(shù)，PTC熱敏電阻有一個(gè)不同的歐姆特性?，F(xiàn)在強(qiáng)電流流過(guò)使得電阻持續(xù)增長(zhǎng)，這樣得減少流過(guò)裝置的電流。這兩種熱敏電阻的應(yīng)用將在稍后討論。通常壓縮進(jìn)惰性以及穩(wěn)定的玻璃瓶或陶瓷混合物中的珠或光碟式熱敏電阻的熱度時(shí)間常數(shù)(t)在液體中典型的是1到10s。5?4熱二極管5.4.1基本原理二極管和晶體管作為調(diào)制溫度傳感器的應(yīng)用由麥克拿馬拉在1962年第一次使用。比其他熱傳感器，熱二極管傳感器的潛在優(yōu)點(diǎn)是它們與集成電路的兼容性和低的制造成本。圖5.10給出了一種理想的p-n型硅二極管的電流電壓特性。在電壓低于傳導(dǎo)電壓時(shí)，實(shí)際上沒(méi)有電流流過(guò)二極管，隨著飽和電流達(dá)到較高的反偏壓。當(dāng)電壓大于傳到電壓時(shí)，二極管是能夠通過(guò)大量電流。P-n結(jié)的正向和反向偏置能級(jí)圖和損耗區(qū)如圖5.11。在零偏壓時(shí)，當(dāng)載流子從n型區(qū)域流向p型區(qū)域時(shí)，載流子必須通過(guò)一個(gè)勢(shì)壘％，反之亦然。這個(gè)勢(shì)壘的高度由于前偏置電壓vf的應(yīng)用而減少，或者由于反向偏置電壓v,的應(yīng)用而增加；這些作用依次調(diào)制流過(guò)節(jié)點(diǎn)的電流。費(fèi)米級(jí)通過(guò)應(yīng)用電壓v來(lái)改變。正如圖示那樣，但是經(jīng)常在n型的價(jià)帶附近或者是在一個(gè)n型半導(dǎo)體材料的導(dǎo)帶附近。

在經(jīng)典的節(jié)點(diǎn)理論中，電子和空穴電流密度，J和J與在經(jīng)典的節(jié)點(diǎn)理論中，電子和空穴電流密度，J和J與ee個(gè)簡(jiǎn)單的擴(kuò)散過(guò)程有關(guān)，（5.19.1）(5.19.2)J=De(dp-dx)=de^p-p:L](5.19.2)ne' ennn其中D是電子的擴(kuò)散度，n是p型材料耗盡層邊緣的電子濃度，n是平衡來(lái)自L長(zhǎng)e p p p度的邊緣的電子濃度。相似參數(shù)是由n型區(qū)域定義的。由愛(ài)因斯坦的相對(duì)論知，電子和空穴的濃度與外界電壓v有關(guān)。如：npnp=expnpnp=expI%)和=expIeV]kT)(5.20)（5.21）電子可空穴濃度是理想二極管，等式（5.21）(eV)i=iexpl-1sL"kT|這里，飽和電流是常量\，這個(gè)常量和節(jié)點(diǎn)區(qū)域A和當(dāng)前節(jié)點(diǎn)參數(shù)的定義有關(guān)，如:（5.22）DenDep'

ep+i（5.22）ILLIpn在現(xiàn)時(shí)二極管中，在理想二極管等式5.21中，指數(shù)參數(shù)由于非理想增加的因莉d（典型值是1.5）而更改，因?yàn)闊岙a(chǎn)生載流子能夠擴(kuò)散到耗盡區(qū)，而后再結(jié)合。另外，諸如通過(guò)不確定區(qū)域的壓降或二極管包裝的影響從那種應(yīng)用能夠減少實(shí)際通過(guò)節(jié)點(diǎn)的電壓。二極管電壓的理想溫度信任值由下面的等式得到。V=（kT/e）ln（i/i+1） （5.23）這種關(guān)系是很好的一個(gè)溫度傳感器作為二極管的電壓是成正比的絕對(duì)溫度。通過(guò)一個(gè)恒流源操作二極管提供了溫度系數(shù)，這個(gè)溫度系數(shù)理論上是溫度的可靠值，并且依靠電流常數(shù)，如等式5.31在正向偏壓i<<i時(shí)，飽和電流的變化可以忽略的。Sdv k i k]f.)（5.24）=ln(+1)xlnVi)（5.24）dT e is e在前置偏壓時(shí)，一個(gè)正向節(jié)點(diǎn)電壓v^0能通過(guò)二極管的電流電壓的特性估計(jì)出來(lái)，（如圖5.16），盡管沒(méi)有真正的節(jié)點(diǎn)電壓作為連續(xù)的功能的衍生。硅的正向節(jié)點(diǎn)電壓在25^時(shí)是0.7V，并且這個(gè)電壓大約是隨溫度以斜率是-2mV/c的線性圖5.18給出了在偏置電流10uA時(shí)，一片典型的硅二極管正向偏壓隨溫度變化的曲線。在正向電壓非常低的溫度時(shí)，一近似線性區(qū)域是明顯的大幅增加。因此，正向節(jié)點(diǎn)電壓能用來(lái)測(cè)量50K到300K的溫度范圍。硅熱二極管首先變?yōu)榉蔷€性在它們的正向電壓溫度特性中，然后在低溫時(shí)下降。因?yàn)閾诫s原子不再是完全電離。相反，在溫度高于約200°C時(shí)，通過(guò)溫度造成節(jié)點(diǎn)的永久損傷，摻雜原子的流動(dòng)性得到加強(qiáng)，然而這有限的溫度范圍之外，熱二極管提供一個(gè)低成本的方式測(cè)溫，測(cè)溫的準(zhǔn)確性一般。5.4.2熱敏二極管的集成電路圖5.13(a)顯示的是一種基本的放大(op-amp)電路。這種電路能用來(lái)測(cè)量通過(guò)熱敏二極管正向偏置電壓Vf。電阻R1和R2用來(lái)限制通過(guò)節(jié)點(diǎn)的電流i。通過(guò)二極管的正向偏置電壓經(jīng)由特別的電壓放大器獲得一個(gè)輸出電壓vout,這個(gè)輸出電壓線性取決于溫度。市場(chǎng)上能買(mǎi)到的半導(dǎo)體器件LM3911是一種便宜的溫度微傳感器，它有一個(gè)集成放大器和只需一個(gè)單輸入電壓就能運(yùn)行并且有一個(gè)10mV/K的輸出電壓，如圖5.13(b)所示。實(shí)際上，飽和或者泄漏電流is對(duì)制造過(guò)程敏感并且受擴(kuò)散再結(jié)合率和溫度的影響。對(duì)硅二極管的飽和電流在25攝氏度時(shí)僅有25nA但是在150攝氏度時(shí)能達(dá)到大約7mA的級(jí)別。這種高電流的需求限制了熱敏二級(jí)管的范圍和線性。熱微傳感器的集成電路的表現(xiàn)能通過(guò)利用熱敏晶體管而不是熱敏二極管來(lái)提高，伴隨著激光微電阻的電路來(lái)提高它的精確性。此外，從熱敏二極管出來(lái)的正向結(jié)合電壓的負(fù)溫度系數(shù)在許多控制電路中是不想要的，因?yàn)殚_(kāi)路失效將導(dǎo)致滿功率輸出。5.5熱敏晶體管5.5.1基本原理熱敏晶體管比其他類(lèi)型的溫度傳感器有潛在的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗鼈兡芨菀椎丶稍谖㈦娮与娐分小＞w管中的發(fā)射電流ie主要取決于發(fā)散過(guò)程，而不是決定基本電流的再結(jié)合或者泄漏過(guò)程。在晶體管的基極和發(fā)射極之間的電壓Vb"取決于溫度，這與二極管的初期表現(xiàn)相似。唯一不同的實(shí)常數(shù)(如is)不同取決于器件的幾何形狀。更復(fù)雜的測(cè)量溫度的方法是用一個(gè)晶體管首先用來(lái)接收一個(gè)高電流ic1和接著接收一個(gè)低電流ic2。不同之處在于基極一射極電壓△/be現(xiàn)在只取決于接收電流而不是幾何性或材料因素，當(dāng)ic1>>ic2(5.25)△匕=V,]—匕2)=~~ln當(dāng)ic1>>ic2(5.25)這個(gè)器件是一種PTAT像熱敏二極管初期的輸出直接比例于絕對(duì)溫度一樣。

5.5.2完整的裝置圖5.14展示一個(gè)電路包含許多熱晶體管比單個(gè)的晶體管電路要穩(wěn)定的多。晶體管7］和L有著共同的基發(fā)電壓⑶，因此總電流i平均地分向每一邊。在第二級(jí)，73由八個(gè)的二極管組成所有的都與74相同。通過(guò)二極管74的集電極電流是73"倍。通過(guò)電阻R的壓降與發(fā)射極的電壓不同，例如，，^r=（Vb4—Vb3） （5.26）取代基發(fā)電壓從公式5.27中被給出，（5.27）當(dāng)電流流過(guò)R是i/2時(shí)，電流就直接與絕對(duì)溫度成比例，2kT~eR2kT~eRln8(5.28)一個(gè)電路修改的版本是開(kāi)發(fā)在商業(yè)可行性上的類(lèi)似裝置AD590溫度傳感器，這個(gè)傳感器提供一個(gè)高的獨(dú)立電流源1uA/K，提供一個(gè)4到30V的直流電壓。輸出被校準(zhǔn)通過(guò)激光微調(diào)內(nèi)部的電阻器到（298.2土2.5）uA，對(duì)于一個(gè)溫度為298.2K。這種類(lèi)型的的傳感器特別有用，因?yàn)椴⒉恍枰獜?fù)雜的外部電路（例如：一個(gè)三線橋），作為一個(gè)電流基極檢測(cè)器，能用在用遙控的應(yīng)用，這里引導(dǎo)電阻將依靠電壓讀數(shù)降低檢測(cè)器的準(zhǔn)確度5.6其它的電子傳感器5.6.1熱電偶繼電器溫度調(diào)節(jié)器帶有一個(gè)離散的函數(shù)來(lái)調(diào)制信號(hào)熱的溫度的調(diào)節(jié)器，或者熱電偶繼電器能夠被考慮為溫度調(diào)節(jié)器。熱電偶繼電器溫度調(diào)節(jié)器經(jīng)常用在國(guó)內(nèi)或其他的應(yīng)用作為一個(gè)控制裝置，而不是一個(gè)測(cè)量裝置。最廣泛的熱電偶繼電器溫度調(diào)節(jié)器應(yīng)用就是二金屬的開(kāi)關(guān)，它由兩個(gè)裝置連接著帶有不同的熱膨脹系數(shù)金屬帶。由溫度改變引起的不同的應(yīng)力引起這個(gè)金屬帶彎曲，從而引起一個(gè)控制的功能。二金屬帶微觀結(jié)構(gòu)設(shè)備已經(jīng)加工出來(lái)了，但是固態(tài)的裝置更加常用。這些裝置是有效的電熱調(diào)節(jié)器帶有一個(gè)敏感的改變?cè)陔娮枭希瑥囊粋€(gè)令人滿意的價(jià)值上。例如，100KQ在570C和750C降到100Q對(duì)于一個(gè)10。。的變化。適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)確定了電阻的改變都與外部的溫度范圍有關(guān)。微開(kāi)關(guān)的封裝，例如，一個(gè)TO-18包對(duì)于保護(hù)高溫來(lái)說(shuō)能夠提供一個(gè)低的成本裝置。5.6.2熱量計(jì)熱量計(jì)測(cè)量能量的釋放和吸收的大小，通過(guò)一個(gè)物體交換改變?cè)跍囟壬?。?jīng)常用一個(gè)電熱調(diào)節(jié)器或者一個(gè)熱電堆來(lái)測(cè)量溫度。設(shè)備的熱量能夠與一個(gè)帶有化學(xué)的或者生物化學(xué)反應(yīng)交換而產(chǎn)生或者移去，從而導(dǎo)致一個(gè)在自由能量系統(tǒng)的改變。這樣，有必要有一個(gè)活躍的膜作為熱量計(jì)的一部分。因此，熱量計(jì)能被分類(lèi)為化學(xué)的或者生物的傳感器。5?7無(wú)電的熱傳感器有許多其他類(lèi)型的熱傳感器，他們是非電的但卻能引起注意。特別地，一些傳感器被稱為微傳感器是可能的，因?yàn)樗麄冃枰环N薄膜技術(shù)或者在硅中被微加工。他們將在未來(lái)可能變得的小型化，我們將在下面簡(jiǎn)短地討論。5.7.1溫度計(jì)傳統(tǒng)測(cè)量溫度的方法是監(jiān)測(cè)氣體、液體或固體的熱膨脹。象一個(gè)雙金屬材料的長(zhǎng)條，固體或者液體的長(zhǎng)度L隨著溫度的不同而改變。L=L0（1+aT+pT2） （7.36）這里L(fēng)0是在一個(gè)參考溫度（0oC）時(shí)的長(zhǎng)度。液體長(zhǎng)度的改變常常與溫度是線形的關(guān)系，因?yàn)閍1是主要的系數(shù)。水銀溫度計(jì)能夠被用在一個(gè)溫度范圍是-35oC到+510oC之間的范圍，膨脹系數(shù)是1.82x10-4/K。將與認(rèn)識(shí)到一個(gè)膨脹溫度計(jì)在硅里有直接的關(guān)系，盡管，被讀出不能象電子裝置那么例如P-N二極管一樣容易。5.7.2溫度指示器和光學(xué)（導(dǎo)）纖維的感應(yīng)器固定的材料（有機(jī)晶體）已經(jīng)成長(zhǎng)經(jīng)過(guò)一個(gè)顏色的改變當(dāng)被加熱或者是冷卻時(shí)。這些材料能夠用來(lái)包上物體的表面來(lái)作為一個(gè)薄膜溫度眼指示器。當(dāng)溫度感應(yīng)材料改變引起白光成分的改變，他們能被作為調(diào)整溫度傳感器。這種熱格層的敏感度是低的而且他們僅僅覆蓋一個(gè)小的溫度的范圍。例如，人造的手特性…液體晶體的特性戰(zhàn)士在表5.6中。這些溫度可逆描述響應(yīng)但是他們的長(zhǎng)期特性能被降低，通過(guò)光照當(dāng)有機(jī)分子被UV射線損害時(shí)。因此，它們實(shí)際的應(yīng)用有些被限制。比半導(dǎo)液晶體好的的材料是一種玻璃，這種玻璃非常耐用。圖5.15展示了一個(gè)可能的排列，用一個(gè)光學(xué)的纖維系統(tǒng)來(lái)傳送信號(hào)通過(guò)一個(gè)溫度感應(yīng)臂（經(jīng)過(guò)一個(gè)箱子）和一個(gè)參考臂。包括的原理是在兩個(gè)臂的相位不同，通過(guò)溫度改變來(lái)移位，和一個(gè)熒光的活性材料的衰

減時(shí)間有關(guān)。表5.7展示了一個(gè)不同傳感材料的特性和測(cè)量和光調(diào)制的應(yīng)用技術(shù)的比較?，F(xiàn)在，依靠光學(xué)傳感器的儀器都是很大和昂貴的。用集成LEDs、纖維光學(xué)溝道和薄的光學(xué)材料能夠在將來(lái)提供一個(gè)很好地實(shí)用的硅微系統(tǒng)。5.7.3表面超聲波器件表面超聲波能夠被激發(fā)并通過(guò)某種物質(zhì)，例如，鈮酸鋰或石英。圖5.16顯示了表面超聲波延遲線振蕩器的示意圖。位循環(huán)條件決定，而且是溫度的函數(shù)。f如）=w

d位循環(huán)條件決定，而且是溫度的函數(shù)。f如）=w

d（5.30）其中①為放大器的相位偏移，Td為表面超聲波器件的延遲時(shí)間，n為激發(fā)模式數(shù)目。通過(guò)鈮酸鋰襯底的熱膨脹和傳播速率的變化，延遲時(shí)間Td依賴于溫度。適當(dāng)?shù)碾娮釉O(shè)計(jì)允許一個(gè)穩(wěn)定的振蕩模式/0（典型值為40MHz），其溫度依賴如下：1df(5.31) r偵—af0dT(5.31)其中，％和av是熱膨脹系數(shù)和速率。圖5.17顯示了在一50C到+150C范圍內(nèi)，43MHz鈮酸鋰表面超聲波延遲線振蕩器的響應(yīng)。靈敏度為4kHz/°C,實(shí)質(zhì)上在這個(gè)范圍內(nèi)是不依賴于溫度的。在0.001°C分辨率非常高，但有信號(hào)觀測(cè)波動(dòng)，大約為±0.2C。第六章磁電式傳感器6.1基本的概括和定義6.1.1磁性的介紹磁場(chǎng)自發(fā)在我們的周?chē)＠?，天體產(chǎn)生的磁場(chǎng)的強(qiáng)度的范圍，不同于遙遠(yuǎn)的星體大約為2x10-5A/m到太陽(yáng)的表面或者木星的極點(diǎn)大約為600A/m。一些生物系統(tǒng)也能產(chǎn)生磁場(chǎng)。例如，流過(guò)我們大腦，心臟和肌肉組織的電流產(chǎn)生10-2A/m的小磁場(chǎng)。圖6.1表明了磁場(chǎng)強(qiáng)度的規(guī)模，范圍從10-^A/m到大約108A/m。因此大的磁場(chǎng)是人造的，用在傳輸光纜，電力變壓器（典型的是10iA/m到105A/m），軟或者硬的磁鐵材料（典型的是1到106A/m）和常規(guī)的螺旋管或者超導(dǎo)線圈（106到107A/m）。磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位是A/m，然而磁感應(yīng)或磁流通密度B的單位是T（特斯拉）。磁流通密度B是1特斯拉當(dāng)1韋伯的磁通量垂直通過(guò)1m2面積。磁感應(yīng)強(qiáng)度B和磁場(chǎng)強(qiáng)度T的關(guān)系如下：B=四bH=椅^bH （6.1）其中HB是材料的磁滲透率和自由空間產(chǎn)生的磁滲透率RB（4兀x10--）和相對(duì)磁滲透率RB是相等的。高磁滲透率（鐵合金或鐵）（RB>>1）和 （RB-1）的材料在磁傳感器中都被使用。6.1.2傳感器的磁效應(yīng)各種各樣的磁效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)和特殊磁材料的發(fā)展使磁傳感器能在一個(gè)寬的范圍內(nèi)加工。表6.1提供了從1842年焦耳效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)到1962約瑟夫森效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)磁效應(yīng)的簡(jiǎn)短的概述。這些效應(yīng)用各種各樣的方法發(fā)現(xiàn)的。在直接應(yīng)用中，磁傳感器本質(zhì)上是一個(gè)磁力計(jì)，用來(lái)測(cè)量磁場(chǎng)強(qiáng)度，例如來(lái)自地磁場(chǎng)的，或磁帶，磁盤(pán)，信用卡等磁材料的場(chǎng)調(diào)制。在間接的應(yīng)用中，磁傳感器作為一個(gè)中間的傳感器來(lái)檢測(cè)非磁場(chǎng)信號(hào)。有許多間接應(yīng)用的例子如下：使用霍爾器件的線位置或角位置的感應(yīng)；霍爾效應(yīng)器件的壓力感應(yīng)；無(wú)刷直流馬達(dá)的控制；非接觸電流感應(yīng)；在直接應(yīng)用中，磁傳感器通常用來(lái)檢測(cè)微秒到毫秒特斯拉范圍的人造的磁流密度。6.1.3磁微傳感器的分類(lèi)很明確的是使用大線圈或磁塊的傳感器類(lèi)型不是微傳感器，本章將不討論。半導(dǎo)體磁場(chǎng)傳感器是微傳感器，他們采用效應(yīng)由于電荷載荷在磁場(chǎng)中的移動(dòng)產(chǎn)生的洛倫茲力。相似的是，超聲磁傳感器采用薄膜或厚膜的磁致伸縮或磁彈性效應(yīng)。表6.2給出了磁微傳感器的分類(lèi)，根據(jù)他們產(chǎn)生的基本原理和器件的類(lèi)型。分類(lèi)包括各種類(lèi)型的半導(dǎo)體和這些活躍的薄的或厚的膜（如超聲波延遲線傳感器）。超導(dǎo)量子傳感器不像其他的微傳感器，不僅因?yàn)樗牟僮髟磉€因?yàn)樗鼧O高的靈敏度。一個(gè)超導(dǎo)量子傳感器能解決在生物磁體中發(fā)現(xiàn)的微特斯拉的信號(hào)，是目前使用的最敏感的磁器件。6?2霍爾器件6.2.1霍爾效應(yīng)當(dāng)一個(gè)電子在一個(gè)金屬里移動(dòng)的時(shí)候代表一個(gè)磁流動(dòng)密度B,一個(gè)磁力在它上面產(chǎn)生。這就是所謂的洛倫茲力，它垂直作用在電子的運(yùn)動(dòng)方向上，有下式F=eC?B） （6.2）其中v是電子的平均移動(dòng)速度。洛倫茲力偏離電子的流動(dòng)線一個(gè)。h角，是著名的霍爾角。電子的偏離導(dǎo)致正電子在半導(dǎo)體材料的一邊形成而負(fù)電子在另一邊形成。產(chǎn)生的霍爾電場(chǎng)E和珞倫磁力是相反的，有下面的平衡條件（用標(biāo)符號(hào)）hTOC\o"1-5"\h\zEh=hB （6.3）霍爾效應(yīng)磁傳感器采用這個(gè)效應(yīng)。圖6.2顯示了一個(gè)霍爾平板傳感器的布局。通過(guò)板的電壓V能被計(jì)算出來(lái)通過(guò)簡(jiǎn)單的傳輸理論如：h\o"CurrentDocument"Vh=Eh①=+vBw （6.4）其中w是霍爾板的寬度。和平均速度V有關(guān)的的電流Ix有下式給出：°「1]IB「IB，…，，一Vh=-況/=Rh~^（理想的霍爾電壓） （6.5）其中n電子密度，d板厚度，Rh霍爾系數(shù)。然而霍爾電壓和霍爾角的量是由霍爾系數(shù)決定的，有E\o"CurrentDocument"tan°h=e^=R.B。 （6.6）x其中b是材料的電導(dǎo)率。金屬，如金和銅，霍爾系數(shù)是小的并且是負(fù)的（-1X10-10m3/C）接近經(jīng)典傳輸理論得出的值。同樣的經(jīng)典傳輸理論也能用在n型和p型半導(dǎo)體材料中，通過(guò)把自由電子和自由空穴作為載流子。這個(gè)模式在概念上正在被呼吁和導(dǎo)致的霍爾系數(shù)為；Rh=[—￡]（n型） （6.7）R=+—（p型） （6.8）hpe

八 （日或）、口…、Rh=ne（j+'）（混合型） （6.9）ipn半導(dǎo)體理論的霍爾系數(shù)是由電子和空穴共同提供的，如等式（6.9）,根據(jù)電子和空穴的遷移率和固有載流子的濃度氣。圖6.3展示了硅的霍爾系數(shù)的特征行為隨著沉積水平的改變從p型材料到n型材料。事實(shí)霍爾系數(shù)的實(shí)驗(yàn)值和簡(jiǎn)單的理論是不同的差一個(gè)因子rR=n（n型）；R=—p（p型） （6.10）Hne HpeR是由能帶結(jié)構(gòu)和隨后的散射加工決定的。對(duì)在室溫下一個(gè)低的沉積水平，n型硅的rn值大約為1.15而p型硅的rp值為0.5最后，霍爾電壓必須和板的幾何形狀聯(lián)系到一起。使用一個(gè)幾何因子七，等式6.5可以寫(xiě)成：V=W （6.11）Hd幾何有關(guān)的因子出現(xiàn)是因?yàn)榘宀皇菬o(wú)限長(zhǎng)的，因此電極接點(diǎn)扭曲了電流線。能從精確的幾何形狀中計(jì)算出。在強(qiáng)烈的本征條件下，n型材料的霍爾是：V=-二I， （6.12）Hned然而，霍爾效應(yīng)器件最好用低電導(dǎo)率的薄板做和幾何形狀的細(xì)心選擇，使k§大約為0.5霍爾傳感器的靈敏度能從她的施加的電流/和電壓V確定，S,和七分別為:1dV廠苛xz1dV廠苛xzrknedS=1V1avs H|=Tv光r（6.13）（6.14）這里R是器件的阻抗，敏感性的典型值是在硅器件中S［為100V/AT，SV為0.1/T。6.2.2集成霍爾傳感器圖6.4顯示了頂部外觀和代表性的N型的霍爾平臺(tái)電磁傳感器。這個(gè)平臺(tái)是依據(jù)深的P型擴(kuò)散區(qū)，這個(gè)結(jié)構(gòu)是和IC兩極加工是完全兼容的。電流在電極1和2之間流動(dòng)，同時(shí)，霍爾電壓通過(guò)電極3和4測(cè)量。典型的電極密度和外延層的厚度分別是1015到10i6cm3和5到10um。這個(gè)設(shè)計(jì)可制造出合理的有著200um左右典型的平面尺寸的器件。外延層的電阻率能通過(guò)局部離子的培植來(lái)降低。這項(xiàng)技術(shù)能導(dǎo)致一個(gè)更均勻的平臺(tái)和便于制作更高線性度的砷化鎵器件。這種雙極類(lèi)型的IC器件垂直地測(cè)量到芯片平面的磁場(chǎng)。因?yàn)樵陔姶艌?chǎng)平行于芯片平面應(yīng)用被期望，垂直霍爾器件結(jié)構(gòu)被顯示在圖6.5中。這個(gè)結(jié)構(gòu)最近已經(jīng)被用于單塊硅質(zhì)集成電路，采用了兩個(gè)直交的100平方微米的裝置。每個(gè)器件的SI敏感度是41V/AT，同時(shí)伴有1x10-5T/\；Hz噪音水平在40Hz。各種濃度的磁流密度的角度被計(jì)算出去粗糙的提供輸出電壓到場(chǎng)的角落，見(jiàn)圖6.6。水平的和垂直的霍爾電磁場(chǎng)傳感器也能用CMOS技術(shù)來(lái)制造。例如：一個(gè)3-D的垂直霍爾電磁場(chǎng)傳感器能在標(biāo)準(zhǔn)的2umCMOS加工中被辨識(shí)出（6.7）。器件能測(cè)量所有的磁流密度的三成份，（Bx，By，Bz），同時(shí)地，給一個(gè)線性響應(yīng)。一個(gè)MOS霍爾雙極器件的優(yōu)點(diǎn)是它的SI敏感度高于500到1000V/AT，因?yàn)樗某』魻枌樱?100埃）多于遷移率的補(bǔ)償。最終，正離子腐蝕已經(jīng)被用于增強(qiáng)雙極垂直霍爾傳感器的敏感度。最終結(jié)構(gòu)是J型場(chǎng)效應(yīng)管的結(jié)構(gòu)，JFET。關(guān)于用于垂直霍爾器件1250V/AT的一個(gè)更高的SI已經(jīng)被報(bào)告6.3磁控電阻器6.3.1半導(dǎo)體半導(dǎo)體電阻是受應(yīng)用的外部磁場(chǎng)影響的。主要的效應(yīng)決定于洛侖茲力，這個(gè)力使線性電流旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。，這里0=tan-】電） （6.15）電流路徑所以變得更窄和更長(zhǎng)，導(dǎo)致電阻增加因?yàn)樾〉慕嵌龋篟（0）歸R（1+tan20）nR（B）=R（1+k^2B2） （6.16）0 z0axz常數(shù)kar取決于金屬板的縱橫比，理想的金屬板寬度比長(zhǎng)度要大。兩種可能的設(shè)計(jì)是一系列的霍耳板或者苛賓諾圓盤(pán)分別如圖6.7（a）和（切所示.兩種結(jié)構(gòu)都使所需要的霍耳電壓短路.硅的低電子遷移率使效應(yīng)相當(dāng)小.但是InSb有70000cm2/Vs的特別高的電子遷移率。此外,在InSb中添加NiSb產(chǎn)生一個(gè)具有定向垂直于電流可以充當(dāng)短路板的金屬針結(jié)構(gòu)。圖6.8顯示了工業(yè)中添加和不添加InSb/NiSb磁阻器對(duì)磁感應(yīng)密度的影響。電阻的巨大變化是由重要的霍耳角引起的。不添加和添加InSb/NiSb磁阻器的輸出是取決于溫度變化的,因此精密的測(cè)量需要利用校準(zhǔn)表或者溫度穩(wěn)定計(jì)6.3.2磁性薄膜電傳導(dǎo)磁材料顯示了所謂的各向異性磁阻效應(yīng)。在這些材料中磁化矢量決定了正常電流的方向。外部磁場(chǎng)使磁化矢量在薄膜中旋轉(zhuǎn)的應(yīng)用，產(chǎn)生了電流通路。設(shè)備的電阻R(0)是與角度有關(guān)的一個(gè)函數(shù)：(R(0)-R0)/(Rn0-R0)=sin20 (6.17)口口1DR0是設(shè)備在零角度時(shí)的電阻，Rn0是材料常數(shù)。這個(gè)函數(shù)是非線性的，為了獲得高的靈敏度，理想情況下把角度設(shè)置為45度。這可以利用螺旋條狀紋結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，透磁合金薄膜.設(shè)備在有源電橋配置中的靈敏度SV最近被認(rèn)為是3/T以及-3.5*10-3/K的溫度系數(shù)。6.4磁二極管圖6.9顯示了磁二極管的基本結(jié)構(gòu)配置。尺寸為(IXwXd)的n+和p+的半導(dǎo)體區(qū)域注入了載體,在電場(chǎng)的作用下漂移。磁二極管效應(yīng)由Suhl或者在交界面的重新結(jié)合率和2倍載體的注入引起的。注入的載體受洛侖茲力的作用往區(qū)域的邊緣偏移，正如前面所描述的，它導(dǎo)致載體集中傾斜垂直于電場(chǎng)Ex.這些效應(yīng)引起二極管電流電壓特性的改變，它取決于相對(duì)結(jié)合率，幾何尺寸和電流荷載。通過(guò)利用Si-Al2O3(高重新結(jié)合率)和Si-SiO2(低重新結(jié)合率)在表面重新結(jié)合率的不同已經(jīng)形成磁二極管。這些所謂的SOS磁二極管的結(jié)構(gòu)如圖6.10(a)所示。為了厚度d比比雙極擴(kuò)散長(zhǎng)度小和產(chǎn)生一個(gè)小的磁感應(yīng)密度(<20mT)，磁二極管上的恒流的正電壓敏感性已經(jīng)給出，Sf=dV/dBz=[e(g+g)tff(v-v)Xv2]/8kTl (6.18)Vff npeff2 1f其中l(wèi)是n型硅區(qū)域的長(zhǎng)度，v1和v2是重新結(jié)合率，*和％是載體遷移率，Teff是有效載體的生存時(shí)間。已經(jīng)報(bào)道了4.9V/T的靈敏度。SOS磁二極管有幾個(gè)缺點(diǎn)：第一，Si-Al2O3表面上的重新結(jié)合率很難再生成，第二，靈敏度是嚴(yán)重非線性的，最后，設(shè)備的性能取決于溫度。為了決定不同設(shè)備的重新結(jié)合率，已經(jīng)嘗試?yán)貌煌瑱C(jī)械粗糙度，但是已經(jīng)證明是不現(xiàn)實(shí)的。一個(gè)稍微不同的原理用于一個(gè)與標(biāo)準(zhǔn)集成電路工藝如體CMOS可兼容的類(lèi)似磁敏二極管的結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖6.10(b)。這個(gè)結(jié)構(gòu)看起來(lái)像一個(gè)雙極型晶體管，但是反偏的p-n結(jié)(如集電極)變成了傳統(tǒng)SOS磁敏二極管的高的再結(jié)合表面。一個(gè)磁場(chǎng)垂直的加到基極電流上，使電流線朝著或遠(yuǎn)離集電極發(fā)生偏轉(zhuǎn)。因此，隨著集電極電流被調(diào)節(jié)，基極的電阻系數(shù)將會(huì)改變，從而基極-發(fā)射極電壓被調(diào)節(jié)。高達(dá)25V/T的前向電壓靈敏度被報(bào)告，從而比在SOS磁敏二極管中觀測(cè)到的要稍微大一點(diǎn)。6.5磁敏晶體管6.5.1弓|言盡管硅霍爾平面能用標(biāo)準(zhǔn)集成電路技術(shù)來(lái)制造，輸出電壓可能遭受一個(gè)偏置導(dǎo)致的掩膜對(duì)準(zhǔn)誤差或者內(nèi)在應(yīng)力引起的壓阻電壓。磁敏二極管并未遇到這種偏移問(wèn)題，但是它們的靈敏度因?qū)Ω叩谋砻嬖俳Y(jié)合率的控制不夠而變動(dòng)。并不奇怪的是，晶體管結(jié)構(gòu)也受到磁場(chǎng)的影響，所以也能用作磁微傳感器。磁敏晶體管或磁開(kāi)關(guān)的輸出信號(hào)是一個(gè)電流差。一個(gè)磁敏晶體管基本上包括一個(gè)電流源(如發(fā)射極)和幾個(gè)電極(如集電極)來(lái)下沉電流。一個(gè)分裂溝道并是不必要的，但是它去除了靜態(tài)信號(hào)，從而減少非線性。磁敏晶體管能工作依賴于兩個(gè)原理。首先，當(dāng)霍爾場(chǎng)被阻止形成時(shí)，如同在霍爾平面上一樣，電荷載流子被洛倫茲力偏轉(zhuǎn)。這個(gè)偏轉(zhuǎn)導(dǎo)致了集電極電流的不平衡。其次，發(fā)射極的注入被調(diào)整，如同在磁敏二極管中一樣，當(dāng)基極中的霍爾電壓通過(guò)發(fā)射極調(diào)整注入電流。磁敏晶體管的設(shè)計(jì)將決定哪種機(jī)制支配其磁場(chǎng)靈敏度。磁敏晶體管通?？筛鶕?jù)主電流關(guān)于硅表面的方向來(lái)分類(lèi)。當(dāng)電流橫向流動(dòng)時(shí)，器件對(duì)垂直的場(chǎng)敏感。相反地，當(dāng)電流垂直流動(dòng)時(shí)，器件對(duì)橫向的場(chǎng)敏感。6.5.2橫向磁敏晶體管圖6.11顯示了用標(biāo)準(zhǔn)雙極型技術(shù)制造的最早的橫向磁敏晶體管之一的結(jié)構(gòu)。發(fā)射極電流I°被霍爾洞的角度偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致一個(gè)電流的差異穿過(guò)兩個(gè)P+型集電極C1和％。穿過(guò)與bl和b2接觸的n+型基極施加一個(gè)正電壓，導(dǎo)致基極表現(xiàn)的像霍爾平面一樣，并產(chǎn)生一個(gè)霍爾場(chǎng)?；魻枅?chǎng)通過(guò)一個(gè)更大的角度偏轉(zhuǎn)電流的路徑，從而貢獻(xiàn)了電流差。結(jié)合這些效應(yīng)給出M=K(R+R)B「 (6.19)Rn和Hp是電子和空穴的可流動(dòng)性，Kg是一個(gè)取決于器件形狀的常量：偏移條件和電器件的性能。在一個(gè)雙基極雙集電極的磁敏二極管中，注入調(diào)制決定了磁靈敏度。如圖6.12所示，集電極在基極襯墊的外面。垂直場(chǎng)的應(yīng)用在基極和發(fā)射極區(qū)域設(shè)置了相反的霍爾場(chǎng)。這就在每一邊有差異地輪流改變了注入發(fā)射極的電流，從而電流流經(jīng)集電極。橫向磁敏晶體管也能用CMOS技術(shù)來(lái)加工。用CMOS技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是能提高靈敏度。6.5.3垂直磁敏晶體管在垂直磁敏晶體管中，電流沿硅表面垂直流動(dòng)，因此橫向磁場(chǎng)的靈敏度是可實(shí)現(xiàn)的。有兩個(gè)主要類(lèi)型的垂直磁敏晶體管：差動(dòng)放大磁傳感器(DAMS)和雙集電極磁敏晶體管。圖6.13所示，是兩個(gè)結(jié)構(gòu)的橫截面°DAMS由兩個(gè)垂直p-n-p晶體管組成，其中基極區(qū)是共用的。垂直磁場(chǎng)在發(fā)射極區(qū)之間產(chǎn)生霍爾電壓，霍爾電壓用來(lái)修正注入電流并進(jìn)而修復(fù)集電極電流。DAMS的優(yōu)點(diǎn)是小霍爾信號(hào)可以通過(guò)該結(jié)構(gòu)被放大。如圖6.13（b），在垂直雙集電極磁敏傳感器中，器件有在硅表面垂直流動(dòng)的電流，因此對(duì)橫向磁場(chǎng)敏感。它由兩個(gè)p-n-p晶體管組成，如前面所期望的，對(duì)于兩個(gè)器件基極和發(fā)射極是共用的。橫向磁場(chǎng)將電子偏向n+集電極中的一個(gè)，從而產(chǎn)生集電極電流差M=g宓IrB （6.20）cwcxy其中Kg是常數(shù)（理論上是2），f是有效偏離長(zhǎng)度（也就是外延的厚度），w^是發(fā)射極的寬度，I是總的集電極電流（XIe），r^B是霍爾角。據(jù)報(bào)道，各種設(shè)計(jì)的垂直磁敏晶體管已經(jīng)出現(xiàn)；然而，他們的輸出對(duì)光刻掩膜誤差非常敏感，因此霍爾板器件總體上更易生產(chǎn)。6.6聲磁場(chǎng)微傳感器當(dāng)表面聲波（SAW）在薄磁性材料上傳播時(shí)，在磁自旋和應(yīng)變場(chǎng)之間會(huì)發(fā)生磁致彈性的耦合。因此，應(yīng)用外部DC磁場(chǎng)可以修正磁性材料的聲波特性。這個(gè)原理已經(jīng)應(yīng)用于SAW延遲線振蕩器中，振蕩器頻率的變化ff0和聲波的相位速率V是磁通密度的函數(shù)，(6.22)f=半“（Bz）(6.22)70圖6.14所示，SAW延遲線器件被配置在石榴石膜上。石榴石膜外延生長(zhǎng)在（111）釓鎵石榴石（GGG）基底上，然后平鋪一層鋁，再濺射出ZnO來(lái)增加機(jī)電傳感器的耦合性。圖6.15顯示出了磁通密度Bz對(duì)SAW振蕩器頻率的影響。器件中心頻率j0為105MHz，波長(zhǎng)32Rm。磁場(chǎng)靈敏度S大約1Hz（A/m），同時(shí)15A/m的磁場(chǎng)中磁通密度分辨率為1RTH也就是說(shuō)，大約一百分之一。使用這種裝置的數(shù)碼電子產(chǎn)品是一個(gè)具有吸引力的提議。6?7SQUIDs（超導(dǎo)量子干涉器件）超導(dǎo)量子干涉器件或者SQUID是最靈敏的磁力計(jì)具有幾個(gè)fT的磁感應(yīng)系數(shù)分辨率。因此，SQUIDs是能夠來(lái)測(cè)量非常地微弱的磁場(chǎng)，例如由人的心臟或大腦產(chǎn)生的磁場(chǎng)（大約nT級(jí)）。一個(gè)SQUID由一個(gè)由超導(dǎo)材料（如，Yba2Cu3O（7-X牌臨界的溫度，TC為90K）制成的環(huán)形結(jié)構(gòu)組成，他被一個(gè)（射頻SQUID）或兩個(gè)（直流SQUID）約瑟夫森效應(yīng)結(jié)中斷。圖6.16顯示了一個(gè)直流SQUID的基本結(jié)構(gòu)。超導(dǎo)環(huán)注入一常量的偏置電流Ib.as，該電流分為兩部分I1和I2,它流過(guò)兩個(gè)約瑟夫森效應(yīng)節(jié)點(diǎn)1和2。約瑟夫森效應(yīng)結(jié)形成弱的鏈接在磁回路中。在沒(méi)有弱的鏈接，回路中的磁通pext是和外部磁通密度Bext的整體有關(guān)，在表面A的周?chē)ɑ芈罚?" "cs4廣』B?dA （6.22）cs超導(dǎo)回路中的磁通量pin必需在單位磁通量子p0下測(cè)定，其中p0=h/2e,即2.07fMb。因此，表面通量是補(bǔ)償在內(nèi)'部單位％由自誘導(dǎo)通量％，其中：(6.23)2兀巾=2兀泌和4=LI(6.23)其中L其中是環(huán)的自感應(yīng)系數(shù)，ICC是循環(huán)屏蔽電流?，F(xiàn)在兩個(gè)約瑟夫森效應(yīng)結(jié)的引入導(dǎo)致相位的差異51和句通過(guò)每個(gè)弱鏈接。因此通量標(biāo)準(zhǔn)將變?yōu)椋?6.24)c 2(6.24)2兀n=—int—o+o0現(xiàn)在我們可以聯(lián)系常量偏置電流Ibias，流進(jìn)SQUID進(jìn)入總電流流經(jīng)每個(gè)約瑟夫森效應(yīng)結(jié)，因此相位差異為：(6.25)I=（I+1）=（Isin0+1sin0）(6.25)bias1 2 01 1 02 2由下式給出:用等式（6.24）和（6.25）允許內(nèi)部通量和外部通量相關(guān)，由下式給出:(6.26)4=4+—（Isin0—Isin0）

intext2 02 2 01 1(6.26)圖6.17顯示了內(nèi)部通量和外部通量，自感應(yīng)和外部通量（根據(jù)通量量子％）的關(guān)系。偏置電流Ibias相對(duì)于基結(jié)電流I0的值，顯示在如圖所示的兩條相對(duì)的曲線中。根據(jù)隨時(shí)間變化的Josephson結(jié)的電壓V（t）由下式給出：(6.27)因此，直流超導(dǎo)量子干涉器件的電流電壓特性通常描繪成根據(jù)電壓V與峰值節(jié)點(diǎn)電流（I=I=I）的關(guān)系。圖6.18展現(xiàn)了一個(gè)典型的直流超導(dǎo)量子干涉器件特性，對(duì)于相對(duì)的外01 020 .部通量的比值｛0，1/4①0，1/2①0,3/4①0,①0｝。通量的量化規(guī)則，方程（6.25），表明這個(gè)特性行為定期在n①°。一個(gè)集成版本的直流超導(dǎo)量子干涉器件的磁強(qiáng)計(jì)已實(shí)現(xiàn)?；镜脑砣鐖D6.19所示，這個(gè)設(shè)計(jì)包含了一個(gè)薄的“SQUID”膜片環(huán)，它的形狀像一個(gè)方形的墊圈。這作為一個(gè)接地接到輸入線圈（通常司一個(gè)通量變化的第二線圈），因此提高螺形輸入線圈和直流超導(dǎo)量子干涉器件環(huán)之間的感應(yīng)聯(lián)結(jié)，輸入線圈可達(dá)到100nH的電感，相比于超導(dǎo)量子干涉器件環(huán)只有100pH。超導(dǎo)量子干涉器件讀出系統(tǒng)可以說(shuō)是相當(dāng)復(fù)雜。例如，超導(dǎo)量子干涉器件能夠使用一個(gè)交流橋驅(qū)動(dòng)（?500kHZ）。通過(guò)偏置調(diào)節(jié)器修改平衡條件，來(lái)提供一個(gè)良好的小的靈敏性變化。最終超導(dǎo)量子干涉器件的靈敏性，決定于白噪聲或1/f白噪聲的實(shí)際情況。然而，其靈敏度仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了所有其它類(lèi)型的磁強(qiáng)計(jì)。第七章 生物化學(xué)微傳感器7.1簡(jiǎn)介7.1.1定義化學(xué)（或生物）傳感器是一種能夠?qū)⒒瘜W(xué)量（或是生物量）轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的裝置?；瘜W(xué)物質(zhì)一般以混合物的形式存在，可以是氣體，液體或固體。例如，化學(xué)傳感器可以檢測(cè)出空氣中的氫氣的存在（如，氣體傳感器），也可以檢測(cè)出空氣中水蒸汽的存在（如，濕度傳感器），亦或是檢測(cè)出水中的各種離子的存在（如，鉀ISFET）?；瘜W(xué)傳感器還可以檢測(cè)出更加復(fù)雜的分子的存在，例如：液體中的糖和蛋白質(zhì)。我們一般將檢測(cè)生物量的化學(xué)傳感器稱作生物化學(xué)傳感器或生物傳感器。7.1.2分類(lèi)不同類(lèi)型的（生物）化學(xué)傳感器根據(jù)所檢測(cè)的化學(xué)被測(cè)量的傳感原理的不同可以有許多分類(lèi)。例如，某種化學(xué)反應(yīng)物（X）和需要檢測(cè)的物質(zhì)（M）可以由下面的反應(yīng)式表示：X+M么=（X,M） （7.1）k其中與和七分別是正反應(yīng)速率常數(shù)和逆反應(yīng)速率常數(shù)。由于焓的變化而使反應(yīng)釋放（或吸收）出熱量時(shí)，可以用熱力計(jì)的檢測(cè)得到這種變化?；蛘?，當(dāng)反應(yīng)還伴隨著其他釋放（或吸收）的變化時(shí)，我們可以用傳導(dǎo)計(jì)，電位計(jì)或是安培計(jì)來(lái)檢測(cè)它。表7.1列出了大部分普通的（生物）化學(xué)傳感器開(kāi)發(fā)的原理，利用它也可以將化學(xué)傳感器分類(lèi)。該表還給出了各種被測(cè)量和每種傳感器的例子?，F(xiàn)在我們可以根據(jù)表7.2所表示的器件原理對(duì)微（生物）化學(xué)傳感器進(jìn)行分類(lèi)。所有的這些微傳感器都是經(jīng)過(guò)人類(lèi)改造的而不是自然界本來(lái)就有的。倒是有一種化學(xué)傳感器是自然界本來(lái)就有，叫電化學(xué)細(xì)胞，它能根據(jù)氣體濃度的不同產(chǎn)生一個(gè)電化學(xué)電位。然而，這種電化學(xué)細(xì)胞還需要做進(jìn)一步的小型化處理，所以我們的討論并沒(méi)有包括它?；瘜W(xué)傳感器的選擇由反應(yīng)機(jī)理決定。理想情況下，一個(gè)化學(xué)傳感器知對(duì)一種反應(yīng)物產(chǎn)生響應(yīng)，對(duì)其他的許多物質(zhì)則不敏感。通過(guò)合適的反應(yīng)物（M）優(yōu)先與被測(cè)量（X）反應(yīng)，傳感器的選擇性便實(shí)現(xiàn)了。許多不同類(lèi)型的傳感器都可以利用這些反應(yīng)物或薄或厚的層可以。表7.3給出了一些普遍用在（生物）化學(xué)微傳感器中的無(wú)機(jī)物和有機(jī)物。這些傳感器的類(lèi)型將在后面的部分詳細(xì)討論?？赡塬@得化學(xué)靈敏性的方法是用分子形狀識(shí)別這種方法廣泛用于生物學(xué)傳感器或認(rèn)識(shí)特別分子結(jié)構(gòu)的生物傳感器，應(yīng)用分子形狀的原理有時(shí)稱作關(guān)鍵鎖系統(tǒng)。圖7.1給出了一般生物傳感器的排列，在這種生物傳感器中，生物分子被轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。濾波器是幫助去除不期望的化學(xué)種類(lèi)的材料。因此活性材料能提供更好的選擇性。這種選擇性也能夠通過(guò)使用酶來(lái)促進(jìn)特定的生物反應(yīng)，或者使用晶體來(lái)促進(jìn)特定的化學(xué)反應(yīng)來(lái)得到提高。例如，表7.3給出了金屬氧化物半導(dǎo)體材料參雜著一小部分活性金屬，例如：Pd,Pt或者Rh來(lái)提高它們的的選擇性。選擇性是化學(xué)傳感器期望的特性。但是在實(shí)際中由于已知化學(xué)反應(yīng)的低特征可能很難達(dá)到。7.1.3應(yīng)用化學(xué)傳感器的目標(biāo)市場(chǎng)雖然比其他類(lèi)型的傳感器的要小。然而，化學(xué)傳感器的潛在市場(chǎng)是被低估的，微傳感器技術(shù)應(yīng)該被完全地建立起來(lái)。重要的應(yīng)用領(lǐng)域和一些實(shí)際應(yīng)用在表7.14中列舉出來(lái)?；瘜W(xué)物質(zhì)的環(huán)境監(jiān)測(cè)/控制和化學(xué)診斷/使用，兩個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域持續(xù)的重要增長(zhǎng)。這兩個(gè)應(yīng)用需要相當(dāng)復(fù)雜的傳感器系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理方法。所以，這就需要更快地發(fā)展智能傳感器陣列技術(shù)來(lái)滿足未來(lái)的需求。7.2化學(xué)電阻器7.2.1介紹可能化學(xué)傳感器的最簡(jiǎn)單的類(lèi)型是化學(xué)電阻器，在這種化學(xué)電阻器中，化學(xué)靈敏層電流傳導(dǎo)的改變被測(cè)量。圖7.2給出了一種化學(xué)傳感器的示意排列（結(jié)構(gòu)）。這種惰性底層是由鋁或SiO2組成，在他上面沉積了一對(duì)電極。（一個(gè)集成電極結(jié)構(gòu)能用作低的傳導(dǎo)膜片）一種活性材料用于化學(xué)電阻器，但是最普通的金屬氧化物，有機(jī)晶體和最近的導(dǎo)電聚合物。膜片的幾何形狀和微結(jié)構(gòu)影響這類(lèi)傳感器的形狀（性能），正如，通過(guò)多空聚合晶體膜片來(lái)證實(shí)在單晶體薄膜研究中取得的成就。（從單晶體薄膜到多空聚合晶體膜的研究都證實(shí)了這點(diǎn)）。7.2.2金屬氧化物氣體傳感器在1953年，不拉頓和巴丁發(fā)現(xiàn)了半導(dǎo)體金屬表面在吸附了一種氣體后其電阻系數(shù)有很大變化。這種效應(yīng)能在一連串的金屬氧化物，例如ZnO,TiO2和In2°3上觀察到。然而，在氣體傳感器中普遍使用氧化物材料迄今已有二氧化錫，在某種條件下非化學(xué)計(jì)算法的錫氧化物的表現(xiàn)就象n型半導(dǎo)體材料在有氧的環(huán)境中，這種原理基于大氣氧的初步可逆反應(yīng)，這種反應(yīng)伴隨著在錫氧化物中晶格空缺，與此同時(shí)，電子濃度n也在減少。這種反應(yīng)在不同的溫度和氧壓強(qiáng)時(shí)產(chǎn)生氧元素（用常數(shù)m表示）。即°2一'°一'°2一，這種氧能發(fā)生不可逆反應(yīng)，并伴隨著某種易燃元素。例如:（7.2）%°+\vacantsite]+e 0（7.2）(7.3)X+(7.3)msite例如，被測(cè)量X可能是甲烷，這種伴有晶格氧的反應(yīng)能產(chǎn)生二氧化碳和水蒸氣，從而使載流子濃度n增加。這個(gè)簡(jiǎn)單的理論能預(yù)測(cè)材料的電子傳導(dǎo)率Aa的增加，這種材料與載體濃度n的增加有關(guān)。從反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)來(lái)看，與被測(cè)量x的分?jǐn)?shù)幕r有關(guān)。A=^nenn泛X1 ;其中0.5＜「＜1 (7.4)盡管載流子濃度的調(diào)制能強(qiáng)烈地影響薄單晶體薄膜的表面電導(dǎo)，這是無(wú)法解釋在厚厚的金屬氧化物層所觀察到的大的影響。相反，模型的傳導(dǎo)，必須延伸到考慮濃度依賴流動(dòng)性的因素。這種因素源自多晶氧化物有一個(gè)開(kāi)放的顆粒狀結(jié)構(gòu)，進(jìn)入其中的氣體可以在離散顆粒的表面擴(kuò)散和發(fā)生反應(yīng)。看圖7.3，電子遷移率由跳躍模型中相鄰齒之間的勢(shì)壘決定的。齒間的電導(dǎo)系數(shù)G由勢(shì)壘的高度珥決定，在這里是個(gè)最簡(jiǎn)單的模型：G-Gexp一k-r-(7.5)其中G0是弱溫依靠常數(shù)。氣體中勢(shì)壘高度的調(diào)制與初始和最終的載流子濃度有關(guān)，在式7.2和7.3中給出了這種關(guān)系。ln[1+n(7.6)如果這是假設(shè)大部分的電導(dǎo)主要是由氣體敏感的晶格內(nèi)位子。最后，載流子濃度通過(guò)式7.2和7.3的反應(yīng)速率與氣體濃度發(fā)生聯(lián)系。(7.6)如果這是假設(shè)大部分的電導(dǎo)主要是由氣體敏感的晶格內(nèi)位子。最后，載流子濃度通過(guò)式7.2和7.3的反應(yīng)速率與氣體濃度發(fā)生聯(lián)系。(7.7)其中k1和k2是式7.2和7.3的反應(yīng)速率。分別的，化學(xué)傳感器的靈敏性和選擇性是由反應(yīng)比率k2/k1決定的。正如前面所說(shuō)的，補(bǔ)充一種小比例的催化貴金屬是普通的。(例如pt，pd)這種方法能夠提高集成勢(shì)壘的調(diào)制振幅，并且有助于提高特異性。早在20世紀(jì)70年代FigaroEngineeringInc,(Japan)已經(jīng)制造并銷(xiāo)售氧化錫七天傳感器。絕大部分成型的第8系列傳感器是由一卷發(fā)射絲內(nèi)嵌在氧化鋁的陶瓷管，這個(gè)陶瓷管杯一種厚氧化錫的熔膜層包裹著，如圖7.4(a)，表7.4顯示出Figaro公司的氣體傳感器的分類(lèi)和測(cè)量對(duì)象和檢測(cè)范圍。圖7.5顯示出TGS815氣體傳感器對(duì)甲烷和其他不同氣體的特征和詳實(shí)反應(yīng)。這類(lèi)高能耗(?1W)的傳感器是不合需要的。包括5系列僅僅只消耗75mW的傳感器已經(jīng)被制造出來(lái)，見(jiàn)圖7.4(b)。微機(jī)械加工的氧化錫化學(xué)電阻器已經(jīng)在一些實(shí)驗(yàn)室中被制造揣。例如，圖7.6顯示的一種低能量薄片(100nm)氧化錫氣體傳感器在英國(guó)沃里克大學(xué)被制造出來(lái)的圖片。然而氧化錫的為傳感器由于缺少特征性和不穩(wěn)定性限制了它在商業(yè)上的應(yīng)用，而只是作為氣體警報(bào)裝置而不是氣體分析裝置。7.2.3有機(jī)氣體傳感器有機(jī)氣體比無(wú)機(jī)活性材料（如SnO2）在氣體微傳感器中的應(yīng)用更有吸引力。首先，有機(jī)材料容易被化學(xué)方法改進(jìn)而保留高的識(shí)別性。。其次，有證明表明有機(jī)材料對(duì)污染物和反應(yīng)氣體（ppb到ppm）有高的敏感度。第三，有機(jī)材料的適合加工的特性優(yōu)于無(wú)機(jī)氧化物（他們有高的熔點(diǎn)）以至于他們能用簡(jiǎn)單的方法沉積。最后，有機(jī)材料在在低于150攝氏度的條件下運(yùn)用，相比較無(wú)機(jī)材料通常要在大約400攝氏度的高溫條件下如SnO2才能運(yùn)用。在化學(xué)阻微傳感器中一些種類(lèi)的有機(jī)材料已經(jīng)被研究和應(yīng)用了。主要的兩類(lèi)有機(jī)材料是有機(jī)晶體和導(dǎo)電聚合物膜。苯二甲腈形成一類(lèi)重要的有機(jī)晶體。這類(lèi)有機(jī)晶體熱穩(wěn)定在大約500攝氏度，像金屬氧化物半導(dǎo)體的本質(zhì)特征。圖7.7（a）顯示出金屬歐菁顏料的分子結(jié)構(gòu)。中心得氫原子能被金屬離子如Pb2+,Cu2+，Mg2+替代來(lái)提高對(duì)特征氣體的反應(yīng)。薄的歐化菁染料膜能用真空升華方法沉積，盡管厚膜能用絲網(wǎng)印刷方法和超薄膜能用Langmuir-Blogett方法沉積。PbPc已經(jīng)被廣泛的研究，并顯示出對(duì)容易丟失電子的氣體如NO2氣體的高靈敏性。圖7.7（b）顯示出被真空升華的PbPc和H2Pc膜對(duì)NO2氣體在150攝氏度的特征反應(yīng)。Pc膜的反應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間取決于溫度在170攝氏度時(shí)分別大約在100S和150S。Pc氣體傳感器的主要問(wèn)題是回復(fù)時(shí)間慢依賴于吸收基底的表現(xiàn)襯底而特殊的操作方法，如溫度循環(huán)或許可以克服這些內(nèi)在困難。導(dǎo)電聚合物已經(jīng)引起了相當(dāng)多的興趣，自從在20世紀(jì)80年代發(fā)現(xiàn)以來(lái)。最初，研究集中在電子裝置的應(yīng)用，例如：二極管、晶體管、……和電池。這些材料已經(jīng)引起廣泛的興趣，因?yàn)樗麄儽∧傩缘姆秶腿菀准庸?。近?lái)，已經(jīng)研究出用導(dǎo)電聚合物作為一個(gè)薄膜層的化學(xué)電阻器。芳香雜環(huán)單體（或者他們的衍生物）例如，噻吩、吲哚和呋喃（看圖9.8）經(jīng)過(guò)電子化學(xué)氧化來(lái)產(chǎn)生導(dǎo)電聚合膜（4.5.4）。這些薄膜能夠沉積通過(guò)互相交叉電極來(lái)制造氣體敏感的化學(xué)電阻器。圖7.9展示了一個(gè)聚合（毗咯）薄膜通過(guò)電子化學(xué)生長(zhǎng)在通過(guò)一個(gè)10um的間隙在金極之間的一個(gè)硅的基底上的照襯底在室溫下導(dǎo)電聚合物對(duì)兩極分子的范圍很敏感和許多近期的報(bào)告建議敏感度降到千萬(wàn)分之一是可能的。這使導(dǎo)電聚合物有一個(gè)潛在的和重要活性材料，對(duì)于在低能量氣體感應(yīng)和氣體感應(yīng)電子鼻上的應(yīng)用。7.3化學(xué)電容器測(cè)量絕緣體常數(shù)的一個(gè)薄膜的氣體敏感度也是可能的，用圖7.2的電極排列。例如，一個(gè)旋轉(zhuǎn)涂層的苯乙酰導(dǎo)電聚合物層，通過(guò)對(duì)不同氣體的響應(yīng)，例如，CO、CO?、N2、和CH4。電容器中電容的改變典型地在一個(gè)pF的范圍內(nèi)和工作頻率有很強(qiáng)的關(guān)系，還有和周?chē)臈l件例如溫度和濕度有關(guān)。現(xiàn)在有許多商品化的濕度計(jì)就是用一個(gè)薄的聚合物裹在一個(gè)電容上。圖7.10展示了結(jié)構(gòu)和一個(gè)商品化的聚合層濕度傳感器的曲線和他的典型曲線。微型電容2濕度傳感器是一個(gè)耐用的、低成本的傳感器安放在一個(gè)TO-18的頭部（裝置）。它的特性性能被表9.5概述出來(lái)了。電路的接觸面用一個(gè)7556的CMOS定時(shí)電路，在這里這個(gè)聚合物改變了日。時(shí)間常數(shù)和脈沖寬度。輸出信號(hào)然后轉(zhuǎn)變到一個(gè)DC電壓，這與相對(duì)濕度成比例（R.H）7.4化學(xué)二極管7.4.1無(wú)機(jī)肖特基裝置p-n二極管的電子特性和肖特基節(jié)點(diǎn)的氣體敏感度已經(jīng)被研究了。通過(guò)前期重要的努力已經(jīng)指向了無(wú)機(jī)的和有機(jī)的二極管的行為。一些接觸反應(yīng)金屬的工作節(jié)點(diǎn)（4.5節(jié)）例如，］鈀和白金通過(guò)存在化學(xué)表面的種類(lèi)被改進(jìn)。這樣，一個(gè)化學(xué)敏感的肖特基二極管由一個(gè)金屬的電極（鉑）和一個(gè)氧化物（TiO2ZnO2）反電極組成。一個(gè)化學(xué)二極管經(jīng)常用在一個(gè)氣溫升高的場(chǎng)合，例如氫能分解來(lái)形成一個(gè)雙極層，輪流來(lái)改變柵欄的高度。這個(gè)二極管的特性受到可變性的影響，因?yàn)檫@個(gè)金屬氧化物層的本性。一些成功的例子已經(jīng)達(dá)到了通過(guò)加工一個(gè)隧道效應(yīng)的二極管，一個(gè)薄的氧化層（?2nm）存在于接觸反應(yīng)的的金屬門(mén)和一個(gè)半導(dǎo)體的硅層之間。一個(gè)厚的氧化層將要取消這個(gè)隧道效應(yīng)的電流，因此測(cè)量厚的氧化化學(xué)二極管C-V而不是I-V二極管的特性是必要的。盡管，Pd/p-SiMOS二極管已經(jīng)知道對(duì)氫敏感的，對(duì)于氣體傳感器來(lái)說(shuō)，許多研究的努力已經(jīng)指向氣體傳感器MOSFET結(jié)構(gòu)（7.5.1節(jié)）和檢測(cè)液體中離子ISFET結(jié)構(gòu)（7.5.2