傳感器及其應(yīng)用（第三版）Z-半導(dǎo)體敏感元件

Z—半導(dǎo)體敏感元件11.1

Z—半導(dǎo)體敏感元件的由來與特點(diǎn)

11.2溫敏Z—元件的伏安特性

11.3基本應(yīng)用電路

11.4應(yīng)用開發(fā)的基本原理11.5力敏Z—元件簡(jiǎn)介

11.1

Z—半導(dǎo)體敏感元件的由來與特點(diǎn)

11.1.1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(jì)80年代中期獨(dú)家研制的專利技術(shù)，在全世界范圍內(nèi)無類似產(chǎn)品，屬國(guó)際首創(chuàng)的高新技術(shù)前沿產(chǎn)品)在世界和我國(guó)引起轟動(dòng)。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(chǎng)、流量、光強(qiáng)、射線等物理量變化，無需前置放大器和A/D轉(zhuǎn)換直接得到數(shù)字信號(hào)(準(zhǔn)確地說是脈沖信號(hào))。它性能獨(dú)特，完全區(qū)別于一般的半導(dǎo)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。

1997年中國(guó)科學(xué)院新疆物理研究所成立了Z—元件研究小組，并研制出具有溫度敏感和光敏感特性的頻率輸出元件，其特性同Z—元件類似，但性能優(yōu)于報(bào)道的Z—元件，更重要的是制作工藝有明顯的不同。由于其具有頻率輸出的特性且輸出頻率對(duì)溫度敏感，因此為和Z—元件區(qū)分且表明特點(diǎn)，特命名為F元件，即英文Frequency的首字母。

Z—半導(dǎo)體敏感元件(簡(jiǎn)稱Z—元件)是20世紀(jì)末剛剛出現(xiàn)的高新技術(shù)前沿產(chǎn)品。由于它特性新穎、市場(chǎng)潛力大、具有廣闊的應(yīng)用前景，已引起國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注和極大的興趣。

Z—元件主要有溫敏、光敏和磁敏三種，目前力敏Z—元件也已應(yīng)用。本章詳細(xì)介紹溫敏Z—元件的結(jié)構(gòu)、特性、應(yīng)用電路、工作原理和應(yīng)用開發(fā)方向，以供廣大讀者了解Z—元件，正確使用Z—元件以備開發(fā)新產(chǎn)品時(shí)參考。本章還將簡(jiǎn)單介紹力敏Z—元件。

Z—元件具有一系列優(yōu)點(diǎn)，在信息產(chǎn)業(yè)界受到高度重視。它的應(yīng)用電路極其簡(jiǎn)單，輸出幅值大、靈敏度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，可分別輸出模擬、開關(guān)或頻率三種信號(hào)。當(dāng)輸出數(shù)字量信號(hào)時(shí)，它不需前置放大和A／D轉(zhuǎn)換就可與計(jì)算機(jī)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(jié)構(gòu)大為簡(jiǎn)化，有助于降低成本，提高可靠性，縮短研制周期，為用戶新產(chǎn)品開發(fā)帶來很大的方便。溫敏Z—元件的應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊，幾乎可涉及國(guó)計(jì)民生各個(gè)部門。預(yù)期在航空航天、機(jī)器人、火災(zāi)探測(cè)、保安報(bào)警、家用電器、汽車電子、醫(yī)療保健、農(nóng)業(yè)氣象、光纖通訊、電力系統(tǒng)、儀器儀表、兒童玩具等領(lǐng)域?qū)?huì)得到廣泛的應(yīng)用。

Z—元件在正偏使用時(shí)，它具有一條“L”型伏安特性,在電壓(或在溫、光、磁等外部激勵(lì)下)控制下，可從高阻狀態(tài)迅速經(jīng)過負(fù)阻區(qū)跳變到低阻狀態(tài)。在反偏使用時(shí)，與常規(guī)PN結(jié)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(diǎn)。Z-元件能利用極其簡(jiǎn)單的電路，設(shè)定在不同的偏置狀態(tài)，選擇合適的靜態(tài)工作點(diǎn)，可在溫、光、磁等外部激勵(lì)下，迅速產(chǎn)生靈敏度很高的與外部激勵(lì)物理量成比例的開關(guān)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(yīng)用前景。11.1.2特點(diǎn)

Z—半導(dǎo)體敏感元件是一種新型半導(dǎo)體敏感元件，它與其它敏感元件相比有如下突出的優(yōu)點(diǎn)：

(1)體積極小，特別適合研制微型電子裝置。

(2)反應(yīng)靈敏，特別適合研制快速反應(yīng)的電子裝置。

(3)工作電壓低，工作電流小，特別適合研制便攜式電子裝置和本質(zhì)安全型儀器。

(4)Z—元件應(yīng)用電路目前在世界范圍內(nèi)是最簡(jiǎn)單的，可大幅度降低整機(jī)成本，而且由于它焊點(diǎn)少，因而故障率低，可提高整機(jī)可靠性。

(5)Z—元件應(yīng)用電路統(tǒng)一規(guī)范，測(cè)量溫度、磁場(chǎng)、光強(qiáng)等參數(shù)均用同一種簡(jiǎn)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(hào)，可與計(jì)算機(jī)直接連接，免除繁瑣昂貴的中間環(huán)節(jié)，為用戶降低整機(jī)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(jié)構(gòu)和工業(yè)測(cè)控方式的重大變革。

(8)可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量。

11.2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(kuò)散工藝進(jìn)行Al擴(kuò)散以形成PN結(jié)，然后用AuCl·4H

2O溶液在高溫下進(jìn)行Au的擴(kuò)散。制成的硅片進(jìn)行單面打磨后，用化學(xué)方法鍍上Ni電極以形成歐姆接觸，然后劃片切割，制取臺(tái)面以減少漏電流，最后進(jìn)行引線焊接和封裝。實(shí)際上Z—元件可以簡(jiǎn)化為一個(gè)PN結(jié)+敏感層的復(fù)合結(jié)構(gòu)。該敏感層是由元件的擴(kuò)金工藝制成的。對(duì)于Au在Si中的電學(xué)性質(zhì)和對(duì)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(kuò)散系數(shù)的深能級(jí)雜質(zhì)，在距離價(jià)帶頂0.35eV處有一施主能級(jí)，在距離帶底0.45eV有一受主能級(jí)。無論是在N型硅還是在P型硅中Au均起到復(fù)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(yīng)半導(dǎo)體的特征。溫敏Z—元件是一種兩端子有限熱敏元件，它在－25～+100℃的環(huán)境溫度中具有較高的輸出靈敏度，超過現(xiàn)今任何一種熱敏元件。溫敏Z—元件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如圖11.1(a)所示。其電路符號(hào)如圖11.1(b)所示，“+”號(hào)表示P區(qū)，即在正偏使用時(shí)接電源正極。圖11.1(c)為正向伏安特性，與一般PN結(jié)不同，該伏安特性具有“L”型特征。它可分成三個(gè)工作區(qū)：M1高阻區(qū)(詳細(xì)又可分為線性區(qū)和非線性區(qū))，M2負(fù)阻區(qū)，M3低阻區(qū)。它具有四個(gè)特征參數(shù)：UTh為閥值電壓，ITh為閥值電流，Uf為導(dǎo)通電壓，If為導(dǎo)通電流。圖11.1電路符號(hào)與伏安特性

11.3基本應(yīng)用電路

溫敏Z—元件的基本應(yīng)用電路如圖11.2所示。其中圖11.2(a)為Z—元件正偏使用，可輸出開關(guān)信號(hào)或模擬信號(hào)，用于溫度越限報(bào)警或溫度檢測(cè)。圖11.2(b)為Z—元件反偏使用，可輸出模擬信號(hào)，用于溫度檢測(cè)，該檢測(cè)電路具有低功耗的特點(diǎn)。圖11.2(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(hào)，它不需放大和A／D轉(zhuǎn)換就可與計(jì)算機(jī)直接通訊，用于溫度檢測(cè)極為方便。圖11.2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(jiǎn)單而且規(guī)范。它們僅有三個(gè)端子：直流電源E、輸出Uo和地，可構(gòu)成微型三端傳感器。圖11.2

Z—元件的基本應(yīng)用電路

11.4應(yīng)用開發(fā)的基本原理

11.4.1應(yīng)用開發(fā)綜述

Z—元件應(yīng)用電路包含Z—元件在內(nèi)，它僅用2個(gè)(或3個(gè))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(hào)，實(shí)現(xiàn)不同的用途。利用溫敏Z—元件開發(fā)新產(chǎn)品，成本低、十分方便。在圖11.2所示的電路結(jié)構(gòu)中，Z—元件與負(fù)載電阻相串聯(lián)，負(fù)載電阻RL用于限制工作電流，并取出輸出信號(hào)。Z—元件應(yīng)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(fù)載電阻RL的壓降分配，取出不同波形的輸出信號(hào)?？刂芞—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(shí)現(xiàn)，可分別開發(fā)出兩種不同類型的新產(chǎn)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(zhuǎn)換條件就可實(shí)現(xiàn)Z—元件工作狀態(tài)的一次性轉(zhuǎn)換或周期性轉(zhuǎn)換。如果滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，實(shí)現(xiàn)Z—元件工作狀態(tài)的一次性轉(zhuǎn)換，負(fù)載電阻RL可輸出開關(guān)信號(hào)；如果滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，實(shí)現(xiàn)Z—元件工作狀態(tài)的周期性轉(zhuǎn)換，負(fù)載電阻RL上可輸出頻率脈沖信號(hào)；如果在外部溫度作用下,Z—元件的工作狀態(tài)產(chǎn)生連續(xù)變化，則負(fù)載電阻RL上可取出模擬信號(hào)。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(zhì)，也能輸出開關(guān)、模擬和頻率脈沖信號(hào)，但實(shí)現(xiàn)的功能和應(yīng)用領(lǐng)域完全不同。11.4.2狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件

溫敏Z—元件采用的電路若輸出模擬信號(hào)，可構(gòu)成三端模擬傳感器，它與常規(guī)模擬傳感器相比，具有高靈敏度或低功耗特點(diǎn)，可用于溫度檢測(cè)。若輸出開關(guān)信號(hào)或頻率信號(hào)，則可構(gòu)成新型三端數(shù)字傳感器，用于溫度監(jiān)控報(bào)警或溫度檢測(cè)。三端數(shù)字傳感器的工作本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)溫敏Z—元件工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，因此，必須首先了解它的狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件。在圖11.1(c)中由電源E和負(fù)載電阻RL可決定一條直流負(fù)載線，該負(fù)載線即為溫敏Z—元件工作狀態(tài)的軌跡。負(fù)載線與伏安特性曲線的交點(diǎn)即為靜態(tài)工作點(diǎn)Q，若靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)定在M1區(qū)或M3區(qū)，其工作狀態(tài)是穩(wěn)定的；若靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)定在M2區(qū)，則工作狀態(tài)就不穩(wěn)定。為輸出模擬信號(hào)或開關(guān)信號(hào),

靜態(tài)工作點(diǎn)必須設(shè)定在M1區(qū)；為輸出頻率信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無穩(wěn)態(tài)，靜態(tài)工作點(diǎn)Q必須設(shè)定在M2區(qū)。

溫敏Z—元件是一種電壓控制器件，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件自然是一個(gè)電壓表達(dá)式。實(shí)際上，只要實(shí)現(xiàn)靜態(tài)工作點(diǎn)Q與閥值點(diǎn)P的“相匯”，就可實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。若Z—元件兩端的電壓為UZ，狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件的電壓表達(dá)式為UZ≥UTh和UZ≤Uf。若采用圖11.2(a)所示電路，靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)定在高阻M1區(qū)。輸出為低電平，可使溫度升高(UTh降低)或增高電壓(UZ增大)。當(dāng)溫敏Z—元件兩端承受的電壓UZ≥UTh時(shí)，其工作狀態(tài)會(huì)立即從M1區(qū)可靠地跳變到M3區(qū)，即從高阻態(tài)進(jìn)入低阻態(tài)，其壓降嵌位于Uf，輸出為高電平，輸出上跳變開關(guān)信號(hào)。反之，當(dāng)滿足UZ≤Uf時(shí)破壞了這種嵌位條件，又會(huì)立即從M3區(qū)返回到M1區(qū)，即從低阻態(tài)進(jìn)入高阻態(tài)，輸出恢復(fù)低電平。由此可引申：在圖11.2(a)所示電路結(jié)構(gòu)中，若把Z—元件與負(fù)載電阻互換位置，將會(huì)得到下跳變開關(guān)信號(hào)。在滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件的前提下，實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的一次性轉(zhuǎn)

換，可得到開關(guān)量輸出；實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的周期性轉(zhuǎn)換，可得到頻率輸出。為實(shí)現(xiàn)工作狀態(tài)的周期性轉(zhuǎn)換，可借助一只輔助電容器C。該輔助電容器C利用寄生電容，通過工藝生產(chǎn)控制來實(shí)現(xiàn)。也可外接一只分立電容器構(gòu)成的電路，如圖11.2(c)所示。限流電阻大約在1kΩ以上，電容大約在1nF以上，通過電容C的充放電過程，可輸出與溫度(或電壓)成比例的頻率信號(hào)，頻率范圍為幾百到幾千Hz，輸出幅度大約為電源電壓的一半。脈沖輸出的溫度線性度很好。11.4.3基本應(yīng)用舉例

1.基本應(yīng)用

溫敏Z—元件組態(tài)靈活，開發(fā)潛力大。基于上述的應(yīng)用開發(fā)原理從表11.1～11.3可知：它包含溫敏Z—元件在內(nèi),僅用2個(gè)(或3個(gè))元器件，就能組合出12種電路結(jié)構(gòu)，其中包括開關(guān)量、模擬量和頻率脈沖三種輸出方式，可相應(yīng)輸出12種波形，能實(shí)現(xiàn)溫控開關(guān)、壓(電壓)控開關(guān)、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(yīng)用，可廣泛應(yīng)用于溫度檢測(cè)、溫度監(jiān)控與報(bào)警，電壓檢測(cè)、電壓監(jiān)控與報(bào)警，把其它非電量變換成電壓后也可間接應(yīng)用于非電量檢測(cè)、非電量監(jiān)控與報(bào)警。其中溫控開關(guān)和頻率輸出傳感器將是溫敏Z—元件應(yīng)用的主導(dǎo)產(chǎn)品，具有廣泛的應(yīng)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(fù)載電阻RL進(jìn)行溫度補(bǔ)償，或者構(gòu)造一個(gè)局部恒溫小環(huán)境，這種方法國(guó)內(nèi)技術(shù)已經(jīng)成熟，實(shí)踐表明是有效的。

依據(jù)U-I曲線，我們對(duì)振蕩頻率進(jìn)行了估算。使用參數(shù)有：電容C，限流電阻R，Z元件高阻時(shí)的阻值Rbb，電源電壓E。表11.1溫敏Z—元件基本應(yīng)用表11.2

Z—元件的電路結(jié)構(gòu)表11.3

Z—元件的輸出波形

F元件的閾值電壓UTh和導(dǎo)通電壓Uf，這兩個(gè)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(jì)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(shí)，F(xiàn)元件成低阻態(tài)，F(xiàn)元件兩端電壓為Uf，電容放電；至電容上電壓稍低于Uf時(shí)，Z—元件成高阻態(tài)；從而在RL上獲得脈沖輸出。從圖11.1(c)可知放電時(shí)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(yīng)滿足其中

所以

令

解微分方程，得F元件充電電壓隨時(shí)間關(guān)系為

F元件的振蕩周期T近似為電容電壓從Uf上升到UTh的時(shí)間，即T=tTh－tf。所以

其中，參數(shù)α的意義是F元件在負(fù)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(shí)的F元件等效電阻約20Ω。

由于室溫下的RL、C、Rbb、Uf、UTh、E均可測(cè)出，因此可相應(yīng)地計(jì)算得出脈沖輸出的頻率f。

2.應(yīng)用舉例

1)低功耗超溫報(bào)警器

在日常生活和生產(chǎn)實(shí)踐中，有許多需要對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行監(jiān)視、報(bào)警和控制的例子，例如防火、大棚溫度、冷庫(kù)、賓館和糧倉(cāng)等。利用溫敏Z—元件，可以研制出多種低功耗控溫及報(bào)警裝置。

圖11.3的報(bào)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。A1為比較器，UR為對(duì)應(yīng)于報(bào)警溫度T(℃)的設(shè)定電壓。圖11.3低功耗超溫報(bào)警器電路

2)冰柜溫控器

隨著人們生活水平的提高，對(duì)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(dú)特，非常適合開發(fā)各種低溫工作的溫控器。

圖11.4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(zhuǎn)換而輸出的“+”跳變信號(hào)，用以觸發(fā)可控硅V8從而使繼電器J1動(dòng)作，J1的觸