傳感器技術 第10章 Z-半導體敏感元件課件

第10章Z—半導體敏感元件10.1Z—半導體敏感元件的

10.2溫敏Z—元件的伏安特性10.3基本應用電路10.4應用開發(fā)的基本原理10.5力敏Z—元件簡介10.1Z—半導體敏感元件的由來與特點10.1.1由來自1993年以來,Z—元件（Z—元件是俄羅斯傳感器專家V．D．Zotov在20世紀80年代中期獨家研制的專利技術,在全世界范圍內無類似產品,屬國際首創(chuàng)的高新技術前沿產品）在世界和我國引起轟動。這種元件正向輸入直流電壓,可得到幅值為輸入電壓20%～40%的直流脈沖,頻率隨溫度、濕度、磁場、流量、光強、射線等物理量變化,無需前置放大器和A/D轉換直接得到數(shù)字信號（準確地說是脈沖信號）。它性能獨特,完全區(qū)別于一般的半導體二極管和無源敏感元件(如熱敏電阻)。它是一種有源非線性敏感元件。Z—元件具有一系列優(yōu)點,在信息產業(yè)界受到高度重視。它的應用電路極其簡單,輸出幅值大、靈敏度高、功耗低、抗干擾能力強,可分別輸出模擬、開關或頻率三種信號。當輸出數(shù)字量信號時,它不需前置放大和A／D轉換就可與計算機直接通訊,特別適合研制新一代微型三端數(shù)字傳感器。這種新型數(shù)字傳感器可使信息系統(tǒng)的硬件結構大為簡化,有助于降低成本,提高可靠性,縮短研制周期,為用戶新產品開發(fā)帶來很大的方便。溫敏Z—元件的應用領域十分廣闊,幾乎可涉及國計民生各個部門。預期在航空航天、機器人、火災探測、保安報警、家用電器、汽車電子、醫(yī)療保健、農業(yè)氣象、光纖通訊、電力系統(tǒng)、儀器儀表、兒童玩具等領域將會得到廣泛的應用。Z—元件在正偏使用時,它具有一條“L”型伏安特性,在電壓(或在溫、光、磁等外部激勵下)控制下,可從高阻狀態(tài)迅速經(jīng)過負阻區(qū)跳變到低阻狀態(tài)。在反偏使用時,與常規(guī)PN結特性相似,但反向擊穿電壓很高,反向漏電流很小,具有低功耗特點。Z-元件能利用極其簡單的電路,設定在不同的偏置狀態(tài),選擇合適的靜態(tài)工作點,可在溫、光、磁等外部激勵下,迅速產生靈敏度很高的與外部激勵物理量成比例的開關量輸出、頻率脈沖輸出或低功耗模擬量輸出,這種優(yōu)異的特性展示了Z—元件的開發(fā)潛力和應用前景。(5)Z—元件應用電路統(tǒng)一規(guī)范,測量溫度、磁場、光強等參數(shù)均用同一種簡單電路,為用戶的二次開發(fā)提供了極大的方便。(6)Z—元件可直接輸出頻率信號,可與計算機直接連接,免除繁瑣昂貴的中間環(huán)節(jié),為用戶降低整機成本提供了重要的前提。(7)Z—元件是研制新一代“數(shù)字傳感器”的理想元件,隨著數(shù)字傳感器的不斷出現(xiàn),在不久的將來可能促成傳感器、儀器儀表結構和工業(yè)測控方式的重大變革。(8)可實現(xiàn)非接觸測量。10.2溫敏Z—元件的伏安特性Z—元件是用電阻率為40～60Ω·cm,厚度為50μm的N型硅單晶,采用平面擴散工藝進行Al擴散以形成PN結,然后用AuCl·4H2O溶液在高溫下進行Au的擴散。制成的硅片進行單面打磨后,用化學方法鍍上Ni電極以形成歐姆接觸,然后劃片切割,制取臺面以減少漏電流,最后進行引線焊接和封裝。實際上Z—元件可以簡化為一個PN結+敏感層的復合結構。該敏感層是由元件的擴金工藝制成的。對于Au在Si中的電學性質和對于摻金硅熱敏電阻器的研究表明:Au在Si中為具有較大的擴散系數(shù)的深能級雜質,在距離價帶頂0.35eV處有一施主能級,在距離帶底0.45eV有一受主能級。無論是在N型硅還是在P型硅中Au均起到復合中心的作用,可以減少Si中的載流子濃度和提高電阻率并形成熱敏電阻。該熱敏層具有典型的體效應半導體的特征。圖10.1電路符號與伏安特性10.3基本應用電路溫敏Z—元件的基本應用電路如圖10.2所示。其中圖10.2(a)為Z—元件正偏使用,可輸出開關信號或模擬信號,用于溫度越限報警或溫度檢測。圖10.2(b)為Z—元件反偏使用,可輸出模擬信號,用于溫度檢測,該檢測電路具有低功耗的特點。圖10.2(c)為Z—元件正偏使用,可輸出與溫度成比例的大幅值頻率信號,它不需放大和A／D轉換就可與計算機直接通訊,用于溫度檢測極為方便。圖10.2所示的三種基本電路都是Z—元件與無源元件的某種組合,電路極為簡單而且規(guī)范。它們僅有三個端子:直流電源E、輸出Uo和地,可構成微型三端傳感器。這種微型三端傳感器按采用電路不同,可分別輸出以溫度為變量的模擬信號、開關信號和頻率信號。其中后兩種輸出為數(shù)字信號,稱為三端數(shù)字傳感器。這種數(shù)字傳感器,其輸出信號不需放大,也不需經(jīng)過A/D轉換即是數(shù)字信號,因而可與計算機直接通訊。它使信息系統(tǒng)的硬件結構大為簡化,為用戶的系統(tǒng)設計帶來極大的方便,必將成為未來信息采集系統(tǒng)的重要部件之一。10.4應用開發(fā)的基本原理10.4.1應用開發(fā)綜述Z—元件應用電路包含Z—元件在內,它僅用2個(或3個)電子元器件,改變不同的組合,采用不同的控制方式,就能輸出多種不同的信號,實現(xiàn)不同的用途。利用溫敏Z—元件開發(fā)新產品,成本低、十分方便。在圖10.2所示的電路結構中,Z—元件與負載電阻相串聯(lián),負載電阻RL用于限制工作電流,并取出輸出信號。Z—元件應用開發(fā)的基本原理,就在于控制Z—元件的工作狀態(tài),通過工作電流的變化,改變Z—元件與負載電阻RL的壓降分配,取出不同波形的輸出信號。控制Z—元件的工作狀態(tài),可通過恒定電壓E下的溫度控制,或者恒定溫度下的電壓控制兩種方式實現(xiàn),可分別開發(fā)出兩種不同類型的新產品。若采取恒定電壓下的溫度控制,由于Z—元件的伏安特性隨溫度改變將向左推移,只要滿足狀態(tài)轉換條件就可實現(xiàn)Z—元件工作狀態(tài)的一次性轉換或周期性轉換。如果滿足狀態(tài)轉換條件,實現(xiàn)Z—元件工作狀態(tài)的一次性轉換,負載電阻RL可輸出開關信號;如果滿足狀態(tài)轉換條件,實現(xiàn)Z—元件工作狀態(tài)的周期性轉換,負載電阻RL上可輸出頻率脈沖信號;如果在外部溫度作用下,Z—元件的工作狀態(tài)產生連續(xù)變化,則負載電阻RL上可取出模擬信號。恒定溫度下的電壓控制與恒定電壓下的溫度控制具有雷同的物理本質,也能輸出開關、模擬和頻率脈沖信號,但實現(xiàn)的功能和應用領域完全不同。溫敏Z—元件是一種電壓控制器件,其狀態(tài)轉換條件自然是一個電壓表達式。實際上,只要實現(xiàn)靜態(tài)工作點Q與閥值點P的“相匯”,就可實現(xiàn)工作狀態(tài)的轉換。若Z—元件兩端的電壓為UZ,狀態(tài)轉換條件的電壓表達式為UZ≥UTh和UZ≤Uf。10.4.3基本應用舉例1.基本應用溫敏Z—元件組態(tài)靈活,開發(fā)潛力大?；谏鲜龅膽瞄_發(fā)原理從表10.1、10.2、10.3可知:它包含溫敏Z—元件在內,僅用2個(或3個)元器件,就能組合出12種電路結構,其中包括開關量、模擬量和頻率脈沖三種輸出方式,可相應輸出12種波形,能實現(xiàn)溫控開關、壓(電壓)控開關、模擬量輸出溫度傳感器、低功耗模擬量輸出溫度傳感器、頻率輸出溫度傳感器、電壓頻率變換器等6種基本應用,可廣泛應用于溫度檢測、溫度監(jiān)控與報警,電壓檢測、電壓監(jiān)控與報警,把其它非電量變換成電壓后也可間接應用于非電量檢測、非電量監(jiān)控與報警。其中溫控開關和頻率輸出傳感器將是溫敏Z—元件應用的主導產品,具有廣泛的應用前景;抑制溫度影響是比較困難的,但也有解決的辦法:可在恒溫環(huán)境下使用,或者利用熱敏負載電阻RL進行溫度補償,或者構造一個局部恒溫小環(huán)境,這種方法國內技術已經(jīng)成熟,實踐表明是有效的。依據(jù)U-I曲線,我們對振蕩頻率進行了估算。使用參數(shù)有:電容C,限流電阻R,Z元件高阻時的阻值Rbb,電源電壓E。表10.2Z—元件的電路結構表10.3Z—元件的輸出波形F元件的閾值電壓UTh和導通電壓Uf,這兩個參數(shù)從U-I特性和脈沖輸出波形上均可讀出（F元件的高阻Rbb和低阻態(tài)的電阻可由U-I特性斜率來計算）。首先,要了解物理過程。電路接通電源后,電容充電,至電容上電壓為Uth時,F元件成低阻態(tài),F元件兩端電壓為Uf,電容放電;至電容上電壓稍低于Uf時,Z—元件成高阻態(tài);從而在RL上獲得脈沖輸出。從圖10.1（c）可知放電時間非常短,可忽略（F元件低阻態(tài)的電阻約20Ω）,因此僅考慮充電過程。充電過程為電源E通過電阻RL向電容C充電,應滿足F元件的振蕩周期T近似為電容電壓從Uf上升到UTh的時間,即其中,參數(shù)α的意義是F元件在負阻之前的電阻不足夠大所引起的修正系數(shù)。而電容放電時的F元件等效電阻約20Ω。由于室溫下的R、C、Rbb、Uf、UTh、E均可測出,因此可相應地計算得出脈沖輸出的頻率f。2.應用舉例1）低功耗超溫報警器在日常生活和生產實踐中,有許多需要對環(huán)境溫度進行監(jiān)視、報警和控制的例子,例如防火、大棚溫度、冷庫、賓館和糧倉等。利用溫敏Z—元件,可以研制出多種低功耗控溫及報警裝置。圖10.3的報警器中,溫度傳感器使用溫敏Z—元件,而且是反向使用。Z—元件的反向電流是隨著環(huán)境溫度的升高而增大。圖10.3低功耗超溫報警器電路2）冰柜溫控器隨著人們生活水平的提高,對低溫冷藏類家用電器的需求日益增加。Z—元件低溫工作性能獨特,非常適合開發(fā)各種低溫工作的溫控器。圖10.4溫控器的溫度傳感器使用溫敏Z—元件,其工作方式為M1區(qū)向M3區(qū)轉換而輸出的“+”跳變信號,用以觸發(fā)可控硅V8從而使繼電器J1動作,J1的觸點JI-1接通致冷泵M,使其運轉,而觸點J1-2斷開。圖10.4冰柜溫控器電路10.5力敏Z—元件簡介上面Z—元件特性分析表明,無論何種Z—元件都對溫度敏感,如要獲得對其它參數(shù)敏感的元件,可通過選取工作點使其對溫度的敏感度下降,能夠被忽略或可進行溫度補償。半導體元件具有壓阻效應。若元件正偏置,當外力作用于Z—元件的P端時,敏感層的電阻率變小,使得伏安特性曲線高阻區(qū)的斜率增大,達到閾值電流時的電壓值小于靜態(tài)下的UTh,所以曲線發(fā)生跳變時的電壓小于UTh,從而使特性曲線向左移,施加的力值越大,左移的距離越大。反之,當外力作用于Z—元件的N端時,敏感層的電阻率變大,使得伏安特性曲線高阻區(qū)的斜率減小,達到閾值電流時的電壓值大于靜態(tài)下的UTh,所以曲線發(fā)生跳變時的電壓大于UTh,從而使特性曲線向右移,施加的力值越大,右