薄膜传感器课件

1、本课件配套教材新型传感器原理及应用ISBN 7-111-09929-X 作 者: 王元庆 出版者: 机械工业出版社南京大学电子科学与工程系第 八 章薄 膜 传 感 器 薄膜热传感器 薄膜应变片 薄膜气敏传感器金属薄膜热电阻多晶硅薄膜热电阻薄膜应变片简介薄膜应变片原理薄膜应变片的制作及特性SnO2气敏薄膜气敏特性Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University 第一节 薄膜热敏传感器金属薄膜热电阻多晶硅薄膜热电阻SENS RPrinciples and Applications of Novel 1、金属薄膜

2、热电阻 2、多晶硅薄膜热电阻薄膜热电阻与其它测温传感器的比较传感器名称优 点缺 点薄膜热电阻外形尺寸小，强，一致性，热响应时间短，性能稳定。工作电流小，自热影响大。厚膜铂电阻焊接性强，性能稳定，自热小。外形尺寸较小，一致性较好，热响应时间较短。线绕铂电阻可测量高温，可作为标准温度计。体积大，抗震性差，存在应力影响。热敏电阻温度系数大，价格低测温范围小，非线性、离散性大热电偶可测量高温需要冷端补偿制作工艺敏感膜(2m)基片引线真空沉积技术，将微细铂粉沉积在基片上形成薄膜对零度阻值进行激光修正，误差小于0.05%玻璃烧结料将引线烧结固定薄膜热电阻阻值与温度变化之间的关系：电阻与温度的关系a = 3

3、.9080210-3b = - 5.8019510-7c = - 4.2735110-12电阻温度系数标称阻值的允许误差等分R0 0时电阻阻值或称作标称阻值 一般为100、500、1000t 温度差值，t = t-0 Rt 温度t时传感器的电阻值 一般取t = 100来测定TCRA级0.06%B级0.12%C级0.24%定义：一定温度内，金属薄膜材料的平均电阻温度系数Rt 金属在温度点t时的电阻值Rt0 金属在温度点t0时的电阻值0是温度为t0时的电阻率一般情况下，连续结构金属薄膜的散射几率为：单位(1/)p = p1 + p2 + p3 + p4 + p5p1 声子对电子的散射几率p2 杂质

4、对电子的散射几率p3 晶体缺陷对电子的散射几率p4 晶界对电子的散射几率p5 薄膜表面对电子的散射几率随温度变化多晶硅薄膜由许多晶向不同的微小晶粒和连接它们的晶粒间界组成的。多晶硅薄膜晶粒间界是晶粒之间的过渡区，晶粒间界的原子排列高度无序，呈非晶态结构，电阻率很高。每个晶粒可以看成一个小的单晶体，晶粒内部原子呈周期性有序排列。晶粒晶粒间界(几个原子层厚)通过对薄膜中载流子移动过程的影响，晶粒间界决定了多晶硅薄膜电阻值。多晶硅薄膜的总电阻率=g+b定量分析对于P型单晶硅或者外加偏压晶粒中性区空穴浓度：450以下，P（0）NA q 电子电荷数 k0 玻尔兹曼常数P(0) 晶粒中性区空穴浓度 P 空

5、穴迁移率 （与晶格的振动散射和电离杂质散射有关）A、B 与温度无关的常数 mh 空穴的有效质量晶格振动散射项，正的温度系数晶格杂质散射项，负的温度系数晶界电阻项对于晶粒尺寸较大、晶界区缺陷密度低、或高掺杂情况 ： 原因：晶粒耗尽区W很窄，势垒高度降低，晶粒中性区L扩大，多晶硅薄膜的电阻率主要由晶格振动散射项和晶格杂质散射项的单晶晶粒电阻率决定对于晶粒尺寸很小、晶界区缺陷密度高、或轻掺杂情况： 原因：晶粒中性区L与晶粒耗尽区W相比不很大，而晶界耗尽层为高阻区。电阻率则主要由晶界电阻率决定。新型传感器原理及应用Department of Electronic Science and Enginee

6、ring, Nanjing University 第三节 薄膜气敏传感器简介薄膜应变片原理薄膜应变片特性SENS RPrinciples and Applications of Novel溅射或蒸发的方法镀制，敏感材料为半导体或金属。优点：一、简介稳定性好寿命长 灵敏度高温度系数小工作温度范围宽 量程大 成本低 能承受106次以上的重复加载，工作仍十分正常蠕变和滞后低， Vs(s) H(a) H(s)H H(a)薄膜未耗尽薄膜电阻：R = L /（H H(a)W气敏响应：S = R(a) / R(s) 1 = H(s) / H H(a)空气中新型传感器原理及应用Principles and A

7、pplications of Novel SensorsDepartment of Electronic Science and Engineering, Nanjing University H(s) H H(a) 在空气中薄膜全耗尽，还原性气体中部分耗尽耗尽区电阻率： = 1 /（nsqn) n电子迁移率气敏响应：S = (Nd/ns)1 H(s) / H空气中还原性气体中新型传感器原理及应用Principles and Applications of Novel SensorsDepartment of Electronic Science and Engineering, Nanjin

8、g University H H(s) 在还原性气体中全耗尽气敏响应：S = Nt / nsH存在还原性气体前后表面态改变量： Nt = (20sNd / q)V(a) V(s)还原性气体中新型传感器原理及应用Principles and Applications of Novel SensorsDepartment of Electronic Science and Engineering, Nanjing University 对于致密薄膜，在膜层厚度较薄的前提下，SnO2薄膜气敏元件的响应随薄膜厚度的减小而呈现上升的趋势；对于膜层较厚的薄膜，薄膜的电阻主要由膜缺陷形成的颈部决定，因而与厚

9、度无关。通过表面修饰可以改善薄膜的气敏特性，例如采用双层金属氧化物半导体薄膜，用贵重金属表面修饰等。用不同的金属或不同的表面技术，可以提高选择性、工作稳定性。结论新型传感器原理及应用Principles and Applications of Novel SensorsDepartment of Electronic Science and Engineering, Nanjing University 本 章 结 束谢 谢化学汽相沉积（CVD）第一类CVD是一种气态化合物在一定的激活能量下被分解，生成固态物质淀积在衬底上，而生成的气态物质泻出。例如正硅酸乙酯经热分解，生成SiO2 ：Si(O

10、C2H5) 4 SiO2 + 4C2H4 + 2H2O第二类CVD是两种气态化合物经化学反应生成新的固态物质和气态物质，例如硅烷SiH4和氨NH3起反应生成Si3N4 ：3SiH4+4NH3 Si3N4 + 12H2 CVD淀积薄膜的过程：反应气体输送至衬底上方，以扩散方式穿过附面层到达表面并被吸附。反应气体在衬底表面上发生化学反应，生成淀积薄膜，未反应的气体和反应生成物脱离衬底表面回到主流气体中去。 用加热、等离子体或紫外线等各种能源，使气态物质经化学反应形成固态物质淀积在衬底上的方法。溅 射首先抽真空至1.3310-2Pa以下，再充入溅射气体达到1.33Pa（一个大气压）。溅射的基本原理：利用电场作用将惰性气体电离，正离子向阴极方向高速运动，撞击阴极表面后，把自己的能量传递给处于阴极的溅射材料，使溅射材料的原子或分