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《传感器技术 第10章 Z—半导体敏感元件.ppt》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、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
2、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—半导体敏感元件(简称Z—元件)是20世纪末刚刚出现的高新技术前沿产品。由于它特性新颖、市场潜力大、具有广阔的应用前景,已引起国内外广泛的关注和极大的兴趣。Z—元件主要有温敏、光敏和磁敏三种,目前力敏Z—元件也已应用。本章详细介绍温敏Z—元件的结构、特性、应用电路、工作原理和应用开发方向,以供广大读者了解Z—元件,正确使用Z—元件以备开发新产品时参考。本章还将简单介绍力敏Z—元件。Z—
3、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
4、、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。10.1.2特点Z—半导体敏感
5、元件是一种新型半导体敏感元件,它与其它敏感元件相比有如下突出的优点:(1)体积极小,特别适合研制微型电子装置。(2)反应灵敏,特别适合研制快速反应的电子装置。(3)工作电压低,工作电流小,特别适合研制便携式电子装置和本质安全型仪器。(4)Z—元件应用电路目前在世界范围内是最简单的,可大幅度降低整机成本,而且由于它焊点少,因而故障率低,可提高整机可靠性。(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
6、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
7、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。温敏Z—元件是一种两端子有限热敏元件,它在-25～+100°C的环境温度中具有较高的输出灵敏度,超过现今任何一种热敏元件。温敏Z—元件的半导
8、体结构如图10.1(a)所示。其电路符号如图10.1(b)所示,“+”号表示P区,即在正偏使用时接电源正极。图10.1(c)为正向伏安特性,与一般PN结不同,该伏安特性具有“L”型特征。它可分成三个工作区:M1高阻区（详
