传感器技术 第10章 Z-半导体敏感元件课件

第10章Z—半导体敏感元件10.1Z—半导体敏感元件的

10.2温敏Z—元件的伏安特性10.3基本应用电路10.4应用开发的基本原理10.5力敏Z—元件简介10.1Z—半导体敏感元件的由来与特点10.1.1由来自1993年以来,Z—元件（Z—元件是俄罗斯传感器专家V．D．Zotov在20世纪80年代中期独家研制的专利技术,在全世界范围内无类似产品,属国际首创的高新技术前沿产品）在世界和我国引起轰动。这种元件正向输入直流电压,可得到幅值为输入电压20%～40%的直流脉冲,频率随温度、湿度、磁场、流量、光强、射线等物理量变化,无需前置放大器和A/D转换直接得到数字信号（准确地说是脉冲信号）。它性能独特,完全区别于一般的半导体二极管和无源敏感元件(如热敏电阻)。它是一种有源非线性敏感元件。Z—元件具有一系列优点,在信息产业界受到高度重视。它的应用电路极其简单,输出幅值大、灵敏度高、功耗低、抗干扰能力强,可分别输出模拟、开关或频率三种信号。当输出数字量信号时,它不需前置放大和A／D转换就可与计算机直接通讯,特别适合研制新一代微型三端数字传感器。这种新型数字传感器可使信息系统的硬件结构大为简化,有助于降低成本,提高可靠性,缩短研制周期,为用户新产品开发带来很大的方便。温敏Z—元件的应用领域十分广阔,几乎可涉及国计民生各个部门。预期在航空航天、机器人、火灾探测、保安报警、家用电器、汽车电子、医疗保健、农业气象、光纤通讯、电力系统、仪器仪表、儿童玩具等领域将会得到广泛的应用。Z—元件在正偏使用时,它具有一条“L”型伏安特性,在电压(或在温、光、磁等外部激励下)控制下,可从高阻状态迅速经过负阻区跳变到低阻状态。在反偏使用时,与常规PN结特性相似,但反向击穿电压很高,反向漏电流很小,具有低功耗特点。Z-元件能利用极其简单的电路,设定在不同的偏置状态,选择合适的静态工作点,可在温、光、磁等外部激励下,迅速产生灵敏度很高的与外部激励物理量成比例的开关量输出、频率脉冲输出或低功耗模拟量输出,这种优异的特性展示了Z—元件的开发潜力和应用前景。(5)Z—元件应用电路统一规范,测量温度、磁场、光强等参数均用同一种简单电路,为用户的二次开发提供了极大的方便。(6)Z—元件可直接输出频率信号,可与计算机直接连接,免除繁琐昂贵的中间环节,为用户降低整机成本提供了重要的前提。(7)Z—元件是研制新一代“数字传感器”的理想元件,随着数字传感器的不断出现,在不久的将来可能促成传感器、仪器仪表结构和工业测控方式的重大变革。(8)可实现非接触测量。10.2温敏Z—元件的伏安特性Z—元件是用电阻率为40～60Ω·cm,厚度为50μm的N型硅单晶,采用平面扩散工艺进行Al扩散以形成PN结,然后用AuCl·4H2O溶液在高温下进行Au的扩散。制成的硅片进行单面打磨后,用化学方法镀上Ni电极以形成欧姆接触,然后划片切割,制取台面以减少漏电流,最后进行引线焊接和封装。实际上Z—元件可以简化为一个PN结+敏感层的复合结构。该敏感层是由元件的扩金工艺制成的。对于Au在Si中的电学性质和对于掺金硅热敏电阻器的研究表明:Au在Si中为具有较大的扩散系数的深能级杂质,在距离价带顶0.35eV处有一施主能级,在距离带底0.45eV有一受主能级。无论是在N型硅还是在P型硅中Au均起到复合中心的作用,可以减少Si中的载流子浓度和提高电阻率并形成热敏电阻。该热敏层具有典型的体效应半导体的特征。图10.1电路符号与伏安特性10.3基本应用电路温敏Z—元件的基本应用电路如图10.2所示。其中图10.2(a)为Z—元件正偏使用,可输出开关信号或模拟信号,用于温度越限报警或温度检测。图10.2(b)为Z—元件反偏使用,可输出模拟信号,用于温度检测,该检测电路具有低功耗的特点。图10.2(c)为Z—元件正偏使用,可输出与温度成比例的大幅值频率信号,它不需放大和A／D转换就可与计算机直接通讯,用于温度检测极为方便。图10.2所示的三种基本电路都是Z—元件与无源元件的某种组合,电路极为简单而且规范。它们仅有三个端子:直流电源E、输出Uo和地,可构成微型三端传感器。这种微型三端传感器按采用电路不同,可分别输出以温度为变量的模拟信号、开关信号和频率信号。其中后两种输出为数字信号,称为三端数字传感器。这种数字传感器,其输出信号不需放大,也不需经过A/D转换即是数字信号,因而可与计算机直接通讯。它使信息系统的硬件结构大为简化,为用户的系统设计带来极大的方便,必将成为未来信息采集系统的重要部件之一。10.4应用开发的基本原理10.4.1应用开发综述Z—元件应用电路包含Z—元件在内,它仅用2个(或3个)电子元器件,改变不同的组合,采用不同的控制方式,就能输出多种不同的信号,实现不同的用途。利用温敏Z—元件开发新产品,成本低、十分方便。在图10.2所示的电路结构中,Z—元件与负载电阻相串联,负载电阻RL用于限制工作电流,并取出输出信号。Z—元件应用开发的基本原理,就在于控制Z—元件的工作状态,通过工作电流的变化,改变Z—元件与负载电阻RL的压降分配,取出不同波形的输出信号。控制Z—元件的工作状态,可通过恒定电压E下的温度控制,或者恒定温度下的电压控制两种方式实现,可分别开发出两种不同类型的新产品。若采取恒定电压下的温度控制,由于Z—元件的伏安特性随温度改变将向左推移,只要满足状态转换条件就可实现Z—元件工作状态的一次性转换或周期性转换。如果满足状态转换条件,实现Z—元件工作状态的一次性转换,负载电阻RL可输出开关信号;如果满足状态转换条件,实现Z—元件工作状态的周期性转换,负载电阻RL上可输出频率脉冲信号;如果在外部温度作用下,Z—元件的工作状态产生连续变化,则负载电阻RL上可取出模拟信号。恒定温度下的电压控制与恒定电压下的温度控制具有雷同的物理本质,也能输出开关、模拟和频率脉冲信号,但实现的功能和应用领域完全不同。温敏Z—元件是一种电压控制器件,其状态转换条件自然是一个电压表达式。实际上,只要实现静态工作点Q与阀值点P的“相汇”,就可实现工作状态的转换。若Z—元件两端的电压为UZ,状态转换条件的电压表达式为UZ≥UTh和UZ≤Uf。10.4.3基本应用举例1.基本应用温敏Z—元件组态灵活,开发潜力大。基于上述的应用开发原理从表10.1、10.2、10.3可知:它包含温敏Z—元件在内,仅用2个(或3个)元器件,就能组合出12种电路结构,其中包括开关量、模拟量和频率脉冲三种输出方式,可相应输出12种波形,能实现温控开关、压(电压)控开关、模拟量输出温度传感器、低功耗模拟量输出温度传感器、频率输出温度传感器、电压频率变换器等6种基本应用,可广泛应用于温度检测、温度监控与报警,电压检测、电压监控与报警,把其它非电量变换成电压后也可间接应用于非电量检测、非电量监控与报警。其中温控开关和频率输出传感器将是温敏Z—元件应用的主导产品,具有广泛的应用前景;抑制温度影响是比较困难的,但也有解决的办法:可在恒温环境下使用,或者利用热敏负载电阻RL进行温度补偿,或者构造一个局部恒温小环境,这种方法国内技术已经成熟,实践表明是有效的。依据U-I曲线,我们对振荡频率进行了估算。使用参数有:电容C,限流电阻R,Z元件高阻时的阻值Rbb,电源电压E。表10.2Z—元件的电路结构表10.3Z—元件的输出波形F元件的阈值电压UTh和导通电压Uf,这两个参数从U-I特性和脉冲输出波形上均可读出（F元件的高阻Rbb和低阻态的电阻可由U-I特性斜率来计算）。首先,要了解物理过程。电路接通电源后,电容充电,至电容上电压为Uth时,F元件成低阻态,F元件两端电压为Uf,电容放电;至电容上电压稍低于Uf时,Z—元件成高阻态;从而在RL上获得脉冲输出。从图10.1（c）可知放电时间非常短,可忽略（F元件低阻态的电阻约20Ω）,因此仅考虑充电过程。充电过程为电源E通过电阻RL向电容C充电,应满足F元件的振荡周期T近似为电容电压从Uf上升到UTh的时间,即其中,参数α的意义是F元件在负阻之前的电阻不足够大所引起的修正系数。而电容放电时的F元件等效电阻约20Ω。由于室温下的R、C、Rbb、Uf、UTh、E均可测出,因此可相应地计算得出脉冲输出的频率f。2.应用举例1）低功耗超温报警器在日常生活和生产实践中,有许多需要对环境温度进行监视、报警和控制的例子,例如防火、大棚温度、冷库、宾馆和粮仓等。利用温敏Z—元件,可以研制出多种低功耗控温及报警装置。图10.3的报警器中,温度传感器使用温敏Z—元件,而且是反向使用。Z—元件的反向电流是随着环境温度的升高而增大。图10.3低功耗超温报警器电路2）冰柜温控器随着人们生活水平的提高,对低温冷藏类家用电器的需求日益增加。Z—元件低温工作性能独特,非常适合开发各种低温工作的温控器。图10.4温控器的温度传感器使用温敏Z—元件,其工作方式为M1区向M3区转换而输出的“+”跳变信号,用以触发可控硅V8从而使继电器J1动作,J1的触点JI-1接通致冷泵M,使其运转,而触点J1-2断开。图10.4冰柜温控器电路10.5力敏Z—元件简介上面Z—元件特性分析表明,无论何种Z—元件都对温度敏感,如要获得对其它参数敏感的元件,可通过选取工作点使其对温度的敏感度下降,能够被忽略或可进行温度补偿。半导体元件具有压阻效应。若元件正偏置,当外力作用于Z—元件的P端时,敏感层的电阻率变小,使得伏安特性曲线高阻区的斜率增大,达到阈值电流时的电压值小于静态下的UTh,所以曲线发生跳变时的电压小于UTh,从而使特性曲线向左移,施加的力值越大,左移的距离越大。反之,当外力作用于Z—元件的N端时,敏感层的电阻率变大,使得伏安特性曲线高阻区的斜率减小,达到阈值电流时的电压值大于静态下的UTh,所以曲线发生跳变时的电压大于UTh,从而使特性曲线向右移,施加的力值越大,右