秋課件半導體傳感器

半導體傳感器講授人：劉曉寧辦公室：H621email：緒論2015年4月，意大利神經(jīng)外科專家賽吉爾·卡納維羅宣布兩年內(nèi)將完成世界首例人類頭顱移植手術(shù)。一、傳感器技術(shù)的重要性

1.傳感技術(shù)在信息技術(shù)中的地位——三大支柱之一

信息技術(shù)是管理和處理信息所用的各種技術(shù)的總稱，現(xiàn)代信息技術(shù)的基礎(chǔ)有三個主要方面：①信息采集——傳感器技術(shù)②信息傳輸——通信技術(shù)③信息處理——計算機技術(shù)（包括軟件和硬件）

2.傳感器在人類生活中的應(yīng)用傳感器的應(yīng)用實例——利用光脈沖測量轉(zhuǎn)速和行程測量原理示意圖光源光電接收裝置傳感器的應(yīng)用實例——火災(zāi)報警器火災(zāi)報警器外形示意圖火災(zāi)報警器結(jié)構(gòu)和原理示意圖傳感器的重要性體現(xiàn)在它分布于人類的眾多生活領(lǐng)域，并與各個學科的發(fā)展緊密聯(lián)系。應(yīng)用領(lǐng)域所占比例%應(yīng)用領(lǐng)域所占比例%信息處理與通訊8環(huán)保氣象安全10科學儀器儀表11.7資源與海洋開發(fā)1.4電力與能源5.3醫(yī)療衛(wèi)生11機械制造設(shè)備18.1農(nóng)業(yè)漁業(yè)0.7家用電器13.9土木建筑與工程0.7汽車7.3商業(yè)金融0.2運輸1.6其他7.3空間開發(fā)2.7表1.1傳感器的市場結(jié)構(gòu)

成就：

我國早在20世紀60年代就開始涉足傳感器制造業(yè)，1972年組建成中國第一批壓阻傳感器研制生產(chǎn)單位。從改革開放以來，我國傳感器技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)取得了長足進步，主要表現(xiàn)在：建立了傳感技術(shù)國家重點實驗室、微米/納米國家重點實驗室、國家傳感技術(shù)工程中心等研究開發(fā)基地；MEMS、MOEMS等研究項目列入了國家高新技術(shù)發(fā)展重點；經(jīng)過多年的產(chǎn)業(yè)化建設(shè)，全國已有2000多家企事業(yè)單位從事傳感器的研制、生產(chǎn)和應(yīng)用。目前中國市場進入“百家爭鳴”時期，傳感器行業(yè)將迎接新的機遇和挑戰(zhàn)。3.我國傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀

不足

活躍在國際傳感器市場上的仍然是美國、日本、德國等老牌工業(yè)國家的企業(yè)，而我國傳感器行業(yè)總體技術(shù)水平落后于世界水平5～10年，某些核心制造工業(yè)技術(shù)嚴重滯后于國外，使我國傳感器企業(yè)在國內(nèi)與國際市場上缺少競爭力。

由于批產(chǎn)工藝的穩(wěn)定性、可靠性問題沒有得到根本解決，有些高性能產(chǎn)品，不是靠工藝保證，而是靠篩選分檔，主要性能指標和國外差1-2個數(shù)量級，壽命差2-3級。

對傳統(tǒng)傳感器的革新改進不足，微小型化步子慢，集成化、智能化和納米技術(shù)與國外差距大，科技創(chuàng)新差，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的產(chǎn)品少。從總體發(fā)展看，傳統(tǒng)硅技術(shù)將一直延續(xù)到2047年才趨達到芯片特征尺寸的極限和衰退。而當前微電子技術(shù)仍將依循“等縮比原理”和“摩爾定律”兩條基本規(guī)律，在盡力逼近傳統(tǒng)硅技術(shù)極限中，不斷擴展硅的跨學科橫向應(yīng)用（如MEMS等）和突破“非穩(wěn)態(tài)物理器件”（量子、分子器件），這也是當前乃至未來20年傳感器技術(shù)的主要發(fā)展方向。

結(jié)合我國的實際情況，國內(nèi)傳感器的發(fā)展趨勢將集中在以下幾個方向：4.我國傳感器的發(fā)展趨勢（1）傳感器的微型化、集成化和多功能化將傳感器、信號處理器、控制系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等產(chǎn)品一體化，作為投入市場的初始產(chǎn)品，才能獲取行業(yè)的重視，滿足市場需求。利用集成電路工藝及MEMS工藝，可以實現(xiàn)微小尺寸傳感器的生產(chǎn)，在兼容的生產(chǎn)工藝條件下，傳感器的集成化和多功能化不在是夢想。已經(jīng)獲得廣泛應(yīng)用的多功能硅壓力/差壓傳感器是小型集成化的典型。它是在4mm＊4mm的硅片上，采用微電子平面工藝和微機械加工工藝，采用三坯雙島的復(fù)合敏感結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了差壓、靜壓和溫度三參數(shù)的同時測量。

（2）新材料的研發(fā)

隨著材料行業(yè)對傳感器敏感材料進一步的開發(fā)，傳感器新敏感材料不斷推出，高新材料已廣泛用于新型傳感器制造研發(fā)中，如光纖傳感器，光纖傳感器可分為傳感型和傳光型兩大類。利用外界因素改變光纖中光波的特征參數(shù)，從而對外界因素進行計量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅?，稱為傳感型光纖傳感器。傳光型光纖傳感器是指利用其他敏感原件測得的特征量，由光纖進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)膫鞲衅?。與傳統(tǒng)傳傳感器相比，光纖傳感器具有抗電磁干擾、靈敏度高、耐腐蝕、體積小、測量對象廣泛和使用壽命長等特性，因此已成為最優(yōu)潛力的傳感器之一。（3）傳感器的智能化

傳感器的數(shù)字化和智能化的出現(xiàn)是傳感器產(chǎn)業(yè)又一次突破，也成為當今傳感器行業(yè)發(fā)展的重要發(fā)展方向之一。智能傳感器將微處理、通信總線接口、信息檢測、信息處理和信息傳輸?shù)裙δ芤惑w化，并自行進行補償、校正、故障排除，將只能進行單一檢測、單一功能的傳統(tǒng)傳感器與智能化技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)傳感器的多種測量、多種變量的特性。另外數(shù)字傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，利用純數(shù)字電路進行測量，抗干擾性強。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，傳感器的數(shù)字化和智能化得到了最大意義的體現(xiàn)，具有更大的發(fā)展?jié)摿涂臻g。（4）網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器傳感器網(wǎng)絡(luò)是由大量部署在作用區(qū)域內(nèi)的、具有無線通信與計算能力的微小傳感器節(jié)點通過自組織方式構(gòu)成的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。傳感網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點間距離很短，一般采用多跳（multi-hop）的無線通信方式進行通信。傳感器網(wǎng)絡(luò)可以在獨立的環(huán)境下運行，也可以通過網(wǎng)關(guān)連接到Internet，使用戶可以遠程訪問。傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠通過各類集成化的微型傳感器協(xié)作地實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進行處理，并通過隨機自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳方式將所感知信息傳送到用戶終端，從而真正實現(xiàn)“無處不在的計算”理念。研究對象：主要研究利用半導體材料或器件的某些物理性質(zhì)或效應(yīng)制成的對某種物理量敏感的器件。主要內(nèi)容：三大部分

第一章：傳感器的基本概念：如定義，組成，分類等；

第二章～第六章：半導體光傳感器、溫度傳感器、磁傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器；

第七章～第十章：介紹離子傳感器、生物傳感器、智能傳感器和MEMS傳感器的基本情況。二、課程內(nèi)容及學習重點：學習重點及方法：掌握基本概念；掌握各類典型半導體傳感器元件的工作原理、結(jié)構(gòu)及特性；掌握典型傳感器的工作電路及分析方法三、參考書籍1.《半導體傳感器原理及其應(yīng)用》

牛德芳主編

大連理工大學出版社。2.《傳感器原理與檢測技術(shù)》

童敏明唐守鋒董海波編著

機械工業(yè)出版社。第一章傳感器的基本概念§1.1傳感器的定義、組成和分類§1.2傳感器的特性參數(shù)§1.1傳感器的定義、組成和分類一、傳感器的定義根據(jù)國家標準(GB7665-87)《傳感器通用術(shù)語》，傳感器(Transducer/Sensor)的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。有些國家和有些學科領(lǐng)域，將傳感器稱為換能器、變換器、探測器或檢測器等。

理解傳感器的定義，請注意以下三個方面：①輸入量即是被測量，可能是物理量也可能是化學量、生物量等；②由于電信號易于保存、放大、計算和傳輸，且是計算機唯一能夠直接處理的信號，所以傳感器的輸出一般是電信號；③輸出輸入有對應(yīng)關(guān)系，即其工作原理，應(yīng)有一定的精確程度。二、傳感器的組成壓力傳感器示例

通常傳感器主體部分由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩部分組成。其中敏感元件(Sensingelement)是指傳感器中能直接感受被測量并轉(zhuǎn)換成某種量的變化；轉(zhuǎn)換元件(Transitionelement)是指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電學量變化。下面是傳感器的組成方框圖1.1。被測信息敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源測量電路電信號圖1.1傳感器組成方框圖圖1.2壓力傳感器敏感元件轉(zhuǎn)換元件應(yīng)說明的是，并不是所有的傳感器都能明顯分清敏感元件和轉(zhuǎn)換元件兩個部分。有的傳感器二者合二為一，例如硅光電池是將感受的被測量——光能直接轉(zhuǎn)換為電信號輸出，沒有中間轉(zhuǎn)換電路的部分。而有的傳感器，轉(zhuǎn)換元件則不止一個，要經(jīng)過若干次轉(zhuǎn)換。測量電路：常常作為轉(zhuǎn)換元件的輔助部分，對轉(zhuǎn)換元件的輸出量起放大、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、修正、補償?shù)茸饔?。三、傳感器的分?.按外界輸入的信號變換為電信號采用的效應(yīng)分類

物理型傳感器、化學型傳感器、生物型傳感器

⑴物理型傳感器

利用物理效應(yīng)進行信號變換的傳感器稱為物理型傳感器，它利用某些敏感元件的物理性質(zhì)或某些功能材料的特殊物理性能進行被測非電量的變換。如：利用半導體材料在被測量作用下引起電阻值變換的壓阻效應(yīng)制成的壓阻式傳感器。物理型傳感器又可以分為結(jié)構(gòu)型傳感器和物性型傳感器兩種。①結(jié)構(gòu)型傳感器以結(jié)構(gòu)（形狀、尺寸等）為基礎(chǔ)，利用物理規(guī)律來轉(zhuǎn)換被測量。如電容式壓力傳感器（工作時兩極間距發(fā)生變化）。結(jié)構(gòu)型傳感器強調(diào)要依靠精密設(shè)計制作的結(jié)構(gòu)才能正常工作。②物性型傳感器利用某些功能材料本身所具有的內(nèi)在特性及效應(yīng)來轉(zhuǎn)換被測量。所以物性型傳感器主要依靠材料本身的物理特性、物理效應(yīng)來實現(xiàn)。⑵化學型傳感器

利用電化學反應(yīng)原理，把無機或有機化學的物質(zhì)成分、濃度等轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。最常用的是離子敏傳感器，如離子選擇電極，核心部分是離子選擇性敏感膜。⑶生物型傳感器

這是利用生物活性物質(zhì)的選擇性來識別和測定生物化學物質(zhì)的傳感器。如免疫傳感器。2.按工作原理分類這種分類方法是以傳感器的工作原理（即輸入與輸出之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系）作為分類的依據(jù)，如應(yīng)變式、壓阻式、壓電式、電容式、霍爾傳感器等等，通常能從其名稱揣測該類傳感器的工作原理，有利于傳感器專業(yè)工作者從原理與設(shè)計上作歸納性的分析研究。3.按被測量對象分類

按傳感器的被測量對象——輸入信號分類，能夠很方便地表示傳感器的功能，便于用戶選擇。如溫度傳感器、壓力傳感器、氣體傳感器等等名稱。這種分類方法還涉及基本量和派生量的概念，例如力派生出重力、應(yīng)力、力矩等；位移派生出長度、厚度、旋轉(zhuǎn)角等；速度派生出振動、流量、轉(zhuǎn)速、角振動等；加速度派生出沖擊、扭矩、轉(zhuǎn)動慣量等；時間派生出周期、計數(shù)、統(tǒng)計分布；溫度派生熱容量、渦流；光派生出光譜分布等。4.按外加電源分類——有源和無源⑴有源傳感器（能量轉(zhuǎn)換型傳感器）——能將非電量直接轉(zhuǎn)換成電信號，所以有時被成為“換能器”。例如壓電式（超聲波換能器）、熱電式（熱電偶）、光電式（光電池）等。⑵無源傳感器（能量控制型傳感器）——不能將被測量直接轉(zhuǎn)換成電學量，由輔助電源供給電能，被測量對該電能起能量控制作用，如電容式傳感器、壓阻式傳感器等。

5.按構(gòu)成傳感器的功能材料分類

按構(gòu)成傳感器的功能材料不同，可將傳感器分為半導體傳感器、陶瓷傳感器、光纖傳感器、高分子薄膜傳感器等等。

6.按某種高新技術(shù)命名的傳感器分類

根據(jù)某種高新技術(shù)命名，如集成傳感器、智能傳感器、機器人傳感器、仿生傳感器等。傳感器的圖用圖形符號和命名方法a)傳感器圖形符號b)電容式壓力傳感器c)壓電式加速度傳感器圖1.3典型傳感器圖用圖形符號圖1.4傳感器產(chǎn)品代號格式§1.2傳感器的特性參數(shù)

傳感器的特性是指輸出與輸入之間的關(guān)系，這種關(guān)系通常是以數(shù)學模型來體現(xiàn)。傳感器對慢變信號和快變信號的反應(yīng)大不相同，根據(jù)傳感器輸入的慢變信號和快變信號，需要分別討論傳感器的特性。

傳感器的特性可分為靜態(tài)特性和動態(tài)特性兩大類。當輸入量為靜態(tài)，或變化極緩慢時（如環(huán)境溫度），輸入輸出關(guān)系稱為靜態(tài)特性，即不隨時間變化；當輸入量隨時間較快地變化時（如振動、加速度等），輸入輸出關(guān)系稱為動態(tài)特性，即隨時間變化。

由于不同性質(zhì)的傳感器有不同的內(nèi)在參數(shù)關(guān)系（即有不同的數(shù)學模型），它們的靜、動態(tài)兩個數(shù)學模型也表現(xiàn)出不同的特點。為了研究各種傳感器的共性，這里我們提出傳感器的靜、動態(tài)數(shù)學模型的一般形式，然后根據(jù)各種傳感器的不同特性，再作以具體條件的簡化后給予討論。應(yīng)該指出的是，一個高性能的傳感器必須具備良好的靜態(tài)和動態(tài)特性，這樣才能完成無失真的信息轉(zhuǎn)換。一、傳感器靜態(tài)特性的模型若不考慮滯后、蠕變的條件下，傳感器靜態(tài)模型的一般形式在數(shù)學理論上可以用多項代數(shù)方程來表示，即：

式中：y—輸出量；x—輸入量；a0—零位輸出；

a1—線性靈敏度；a2、a3、…、an—非線性項的待定常數(shù)，可正可負。各項系數(shù)不同，決定了不同傳感器特性曲線的具體形式。1.2.1傳感器的靜態(tài)特性y=a0+a1x+a2x2+a3x3+…+anxn②理論模型和實際應(yīng)用①可能的情況1.2.1傳感器的靜態(tài)特性二、傳感器的主要靜態(tài)性能指標1．線性度為了標定和數(shù)據(jù)處理的方便，總希望輸出和輸入之間是線性關(guān)系，于是采用硬軟件補償來進行線性化處理，這樣就使得輸出不可能絲毫不差的反映被測量的變化，總是存在一定的誤差，即使實際是線性關(guān)系的特性，測量的線性關(guān)系也并不完全與其重合，而常用一條擬合直線近似代表實際的特性曲線。

線性度的定義：傳感器的實測輸入輸出特性曲線與理論擬合直線（理想輸入輸出特性曲線）的最大偏差對傳感器滿量程輸出之比的百分數(shù)表示。線性度也成為“非線性誤差”或“線性度”。δ=△maxA×100%最大偏差滿量程輸出平均值圖1.5線性度的表示方法圖1.6不同擬合直線下傳感器的線性度

線性度的大小是以一定的擬合直線為基準直線而得出來的。擬合直線不同，非線性誤差也不同。所以，選擇擬合直線的主要出發(fā)點，應(yīng)是獲得最小的非線性誤差。另外，還應(yīng)考慮使用是否方便，計算是否簡便。

通常擬合直線的選取方法：①理論擬合；②端點連線擬合；③端點平移擬合；④最小二乘法擬合。設(shè)擬合直線方程：0yyixy=kx+bxi圖1.7最小二乘擬合法最小二乘法線性擬合法簡介：y=kx+b若實際校準測試點有n個，則第i個校準數(shù)據(jù)與擬合直線上響應(yīng)值之間的殘差為：最小二乘法擬合直線的原理就是使為最小值，即Δi=yi-(kxi+b)對k和b一階偏導數(shù)等于零，求出a和k的表達式。將k和b代入擬合直線方程，即可得到最小二乘法擬合直線，然后求出非線性誤差。即得到k和b的表達式2．遲滯（滯環(huán)）0yx⊿mA圖1.8傳感器的遲滯特性

如圖所示，在相同的工作條件下進行全范圍測量時，傳感器在正(輸入量增大)反（輸入量減小）行程中輸出輸入特性曲線不重合稱為遲滯。100%式中△m—正反向特性曲線間的最大偏差。A—傳感器滿量程輸出平均值。最大滯環(huán)誤差率表示為：一般來說，輸入增加到某值時的輸出要比輸入下降到該值時的輸出值小，如果存在遲滯差，則輸入和輸出的關(guān)系就不是一一對應(yīng)了，因此必須盡量減少這個差值。3．重復(fù)性yx0⊿m2⊿m1

重復(fù)性誤差可表示為：

重復(fù)性是指在相同的工作條件下，傳感器在輸入按同一方向作全量程連續(xù)多次測量時所得特性曲線不一致的程度。各條曲線越靠近，重復(fù)性就越好?！鱎max1正行程的最大重復(fù)性偏差，△Rmax2反行程的最大重復(fù)性偏差。A100%圖1.9傳感器的重復(fù)性4．靈敏度

如果輸入輸出特性為線性的傳感器或儀表，則：K=Δy/Δx

傳感器在穩(wěn)定工作條件下，輸出的變化量△y與引起該變化的輸入變化量△x之比即為其靜態(tài)靈敏度，其表達式為：K=

y

/

x

如果傳感器系統(tǒng)的輸入輸出特性為非線性，則：K=

dy

/

dx對于無源傳感器，其輸出與供給的電源電壓有關(guān)，所以其靈敏度的表達式往往需要包括電源電壓的因素。從微觀來看，傳感器的特性曲線并不是十分平滑的，而是由許多微小的起伏。當輸入量從零開始增加，在達到某一值后，輸出發(fā)生可觀測的變化，這個輸入值稱為傳感器的閾值電壓。5．分辨率和閾值

分辨率也稱最小輸入增量，即引起輸出量產(chǎn)生可觀測的微小變化所需的最小輸入量的變化量。對數(shù)字顯示的測試系統(tǒng)，分辨率是指傳感器能夠引起輸出數(shù)字的末位數(shù)發(fā)生改變所對應(yīng)的輸入增量。

6．精度

傳感器的檢測裝置的精度包括精密度、準確度和精確度三項。①精密度：在相同條件下，對同一個量進行重復(fù)測量時，這些測量值之間的相互接近程度。②準確度：表示測量儀器指示值對真值的偏離程度。③精確度：是精密度和準確度的綜合反映。圖1.10精密度、準確度和精確度的差異

7．穩(wěn)定性和漂移

傳感器的穩(wěn)定性的變化，最常見的是隨溫度漂移，即周圍環(huán)境溫度變化引起的輸出變化。溫度引起的漂移主要表現(xiàn)在零點漂移和靈敏度漂移。

穩(wěn)定性表示傳感器在一較長時間內(nèi)保持性能參數(shù)的能力，又稱長期穩(wěn)定性。理想的情況是，無論何時傳感器的靈敏度等特性參數(shù)都不隨時間變化，但實際上大多數(shù)傳感器的特性都會隨時間改變，因此傳感器必須定期進行校準。1.2.2傳感器的動態(tài)特性

所謂動態(tài)特性指標，主要是指傳感器輸入信號隨時間變化時輸出信號隨之響應(yīng)的情況，比如說傳感器在測量動態(tài)壓力、振動、上升溫度時，都離不開動態(tài)指標。被測量隨時間變化的形式可能是各種各樣的，而輸出往往存在動態(tài)誤差。通常研究動態(tài)特性是根據(jù)標準輸入特性來考慮傳感器的響應(yīng)特性，不同的標準輸入，對輸出的研究方向也不相同。一．數(shù)學模型與傳遞函數(shù)1.動態(tài)特性的數(shù)學模型分析傳感器動態(tài)特性，也要對輸出和輸入之間建立數(shù)學模型（方程）。比如常見的傳感器系統(tǒng)，在不考慮遲滯、蠕變的情況下，其數(shù)學模型可表示成一個高階常系數(shù)線性微分方程，即：y——輸出量y(t)；x——輸入量x(t)；t——時間a0，a1，…，an——常數(shù)；b0，b1，…，bm——常數(shù)。對一般的傳感器，常有b0≠0,b1～bn均為零。微分方程可以簡化為(0-1)

復(fù)雜的傳感器，其物理模型通?？煞謩e用零階、一階和二階的常微分方程或其組合來描述。比如說電位器傳感器可視為零階系統(tǒng)，熱敏傳感器可視為一階系統(tǒng)，加速度傳感器可視為二階系統(tǒng)。（見例題1）例題1：由彈簧阻尼器構(gòu)成的壓力傳感器，系統(tǒng)輸入量(壓力)F為F(t)=b0x(t)，輸出量為位移y(t)，列出其微分方程。圖1.11某壓力傳感器a1a0b0x(t)=F(t)y(t)解：根據(jù)牛頓第二定律：

{f阻力+f彈力=F(t)}阻尼系數(shù)彈性系數(shù)

對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，微分方程的求解過程也很復(fù)雜，我們可以根據(jù)《信號與系統(tǒng)》中的知識，利用傳遞函數(shù)（系統(tǒng)函數(shù)）來處理。返回在x(t)為已知的情況下，余下的問題歸結(jié)到這個一階常系數(shù)微分方程的求解問題程的求解問題。2.動態(tài)特性的傳遞函數(shù)H(s)Y(

S)(anSn+an-1Sn-1+an-2Sn-2+……+a1S+a0)=X(

S)(bmSm+b