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半导体传感器基础主讲人：杨学昌

绪论传感器的定义　　人们通常将能把被测物理量或化学量传换为与之有确定关系的电量输出的装置称为传感器。传感器也叫做变换器、换能器或探测器。传感器输出的信号有不同形式，如电压、电流、频率、脉冲等，以满足信息的传输、处理、记录、显示和控制等要求。传感器的组成　　传感器一般由敏感元件、传感元件和其它辅助件组成，有时也将信号调节与转换电路、辅助电源作为传感器的组成部分。被测量信号调节转换电路敏感元件传感元件电量辅助电源

　　敏感元件——直接感受被测量（一般为非电量），并输出与被测量成确定关系的其它量（一般为电量）的元件。敏感元件如果直接输出电量（热电偶），它就同时兼为传感元件。还有一些传感器的敏感元件和传感元件合为一体，如压阻式压力传感器。　　传感元件——又称变换器，一般情况它不直接感受被测量，而是将敏感元件的输出量转换为电量输出的元件。传感元件有时也直接感受被测量而输出与被测量成确定关系的电量，如热电偶和热敏电阻。　　信号调节和转换电路——能把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。信号调节与转换电路的种类要视传感元件的类型而定，常用的电路有电桥、放大器、振荡器、阻抗变换器等等。

传感器的发展趋势　　由于科学技术迅猛发展，工艺过程自动化程度越来越高，因此对测控系统的精度提出更高的要求。近年来，微型计算机组成的测控系统已经在许多领域得到应用，而传感器作为微型机的接口必须解决相容技术，根据这样一些时代特点，传感器将向以下几个方面发展：　　１.高精度　为了提高测控精度，必须使传感器的精度尽可能的高。　　２.小型化　很多测试场合要求传感器具有尽可能小的尺寸。　　３.集成化　集成化有两种，同类集成；不同类集成。　　４.数字化　数字化有利于和计算机直接联机。　　５.智能化　传感器与计算机结合的产物，兼有检测与信息处理功能。是传感器技术发展中一次飞跃。

　　变量分类　　通常变量的分类可按物理性质区分为机械量、电学量、热学量、声学量等。这种方法只便于区分变量的物理属性，但看不出不同种类的物理量所表现出来的共同特性。因此，研究不同种类的变量的相似特性并进行分类，对于研究机电模拟是必要的。　　各类基本物理量间可以按它们在“路”中表现的形式分为通过变量和跨越变量。　　只由空间或路上的一点来确定的变量称为通过变量。例如力，电流。必须由空间和路上的两个点来确定的变量称为跨越变量。如位移、电压。一般把这两个点中的一个点作为基准点或参考点。　　还可根据变量与时间的关系划分为状态变量和速率变量，状态变量可以用空间和路上的某一点或两点的状态来说明，如电荷、位移。速率变量是指用状态变量对时间的变化率表示的变量，如速度、电流　　按以上分类方法，机械量和电系统各变量的分类如下表所示。

　　机电模拟　　机电模拟是建立在所研究的机械系统的微分方程和等效电路的微分方程相似的基础之上的。在线性机械系统中，能与

电系统参量相对应的模拟方案可有多种，目前经常采用的两种模拟是力——电压模拟和力——电流模拟。
　　１.力——电压模拟　　在右图所示的机械系统中，除激励力f外，作用在质量m上的力还有　　（１）惯性力　　根据力学原理，作用在质量块上的合力为零。，且外力与上述三个力的方向相反，合力为其代数和。　　（２）阻尼力（粘性阻尼）　　（３）弹性力

如果对右图的串联R、L、C电路列微分方程可有
　　这样可以列出此机械系统的二阶微分方程为如果对右图的串联R、L、C电路列微分方程可有（1-2）（1-1）　　比较上面两个微分方程可以很容易发现二者类型相同。这说明两个系统的物理性质虽然不同，但是它们具有相同的数学模型，其运动规律是相似的。相同的数学模型是模拟的基础。根据所列的微分方程很容易找出机和电相似系统中的对应项来，可列出下表

因为这种方法是以机械系统的激励力和电路系统的激励电压相似为基础的，所以称为力——电压相似。这种相似方法的特点是：
　　因为这种方法是以机械系统的激励力和电路系统的激励电压相似为基础的，所以称为力——电压相似。这种相似方法的特点是：　　（１）机械系统的一个质点用一个串联电回路去模拟。　　（２）机械系统质点上的激励力和串联电路的激励电压相模拟。所有与机械系统一个质点相连接的机械元件（m，c，k）与串联回路中的各电器元件（L、R、C）相模拟。　　例如，为了测量结构物的振动速度　（相对于大地），常将磁电式传感器固定在结构物上，见下图，由于传感器的外壳（　）

与结构物之间具有一定的连接刚度　和阻尼　，而传感器内部又是由惯性质量块　通过弹簧　和阻尼器　与外壳　相连的。这样的机械系统具有两部分质量　和　，因此具有两个质点，而结构物的速度作为传感器的输入量将不必考虑结构物这个质点，其对应的相似电路就应具有两个回路，如图所示。机械系统的输入速度　　对应于该模拟电路的输入电流，弹簧　（或阻尼器　）两端的相对速度　　是输入速度　　与质量　　相对于大地的速度　　之差　　　　　　　　　　由质量　　所决定的电回路　　中的模拟元件应包括与质量　　相连接的所有　、　、　、　、　五个元件。同样在弹簧　（阻尼器　）两端，即　　相对　　的相对速度　　为　　　　　　　　　，　为质量　相对于大地的速度。模拟质量　这一质点的串联回路元件应包括　、　、　三个元件。则可画出另一个回路　　。由于　、　同时与　、　相连，则　、　应是两个回路的公共部分。这样很容易画出模拟电路来。为了便于计算，在模拟电路中的电阻，电容，电感可直接用机械参数来表示，质量　、　上相对于大地的速度将由相应的电感元件　、　中的电流　、　来模拟。当关心的输出是质量　对质量　的相对速度　时，则应取

作为输出。显然它是模拟电路中的电流的负值。当研究输出速度的响应速度时，只需研究中的响应电流即可。
　　　　　　　　　作为输出。显然它是模拟电路中　　的电流　的负值。当研究输出速度的响应速度时，只需研究　　中的响应电流　即可。　　上面的分析说明，力——电压相似系统是将电系统的跨越变量（电压　）模拟了机械系统的通过变量（力　）。电系统的通过变量（电流　）模拟了机械系统的跨越变量（速度　），因而形成了机械系统的一个质点需用电系统一个回路来模拟。虽然它们具有同样的微分方程，但从形式上这种模拟不直观，破坏了结构上的一致性。在测试时，为了得到速度值需要在模拟电路中串入电流表测电流，这给模拟实验带来不便，当采用下面的相似系统时则不同了。不过，由于机械系统经常是以力激励，而电系统是以电压激励，所以经常采用力——电压相似系统　　２.力——电流模拟　　同样的机械系统可以采用右图所示的电流激励并联电路来模拟。该模拟电路的微分方程为

与机械的二阶系统的微分方程式（1-1）比较，它们也是具有相同类型的微分方程。
此相似系统是以机械系统的激励力　和模拟电路的激励电流　相似为基础的。所以称为力——电流相似系统。在这种模拟方法中，两个系统的对应参量如下表所示　　可见表中机械系统的跨越变量（速度　）与电系统的跨越变量（电压　）相模拟，机械系统的通过变量（力　）与电系统的通过变量（电流　）相模拟。　　机械系统中作用在一个质点上的所有通过变量的和为零，即　　　　　；在电路中流入一个结点的所有通过变量电流

的和为零，即　　　。采用力——电流模拟方法，可以将电系统的一个结点模拟机械系统的一个质点。从物理观点上看这种模拟方法比较直观，在模拟测试时也很方便。为了测量两个质点间的相对速度，只要测量相似电路中两个结点间的电压即可，这在实验测量中是很方便的。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　力——电流相似系统的特点是。　　　　　　　　　　　　　　　（1）机械系统的一个质点与模拟电路的一个结点相对应。　　　（2）流入电路结点的激励电流与机械系统相应质点的激励力模拟。与该结点相连接的电元件（GLC）与对应质点相连接的机械元件（ckm）相模拟。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（3）当质量块的速度是相对于大地的速度，采用电容器模拟质量时，应将电容器的一端接电路地线。　　　　　　　　　　　这样可以简化模拟电路。两个或更多个　　　　　　　　　　　　刚性连接的质量，其相似电路是两个或　　　　　　　　　　　　更多个一端接地的并联电容。　　　　　　　　　　　　　　　　　　上述例子（磁电式传感器测量结构　　　　　　　　　　　　物的振动速度）如果用力——电流模拟　　　　　　　　　　　　其电路图如右所示

目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章第一章传感器的一般特性 1.传感器的静态特性 2.传感器的动态特性
目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章第一章传感器的一般特性 1.传感器的静态特性 2.传感器的动态特性 2.1 动态参数测试的特殊问题 1.1 线性度 1.2 灵敏度 2.2 研究传感器动态特性的方法及其指标 1.3 迟滞 1.4 重复性

第一章传感器的一般特性

1.传感器的静态特性 1.1 线性度传感器的理想输出—输入特性是线性的，它具有以下优点：（1）可大大简化传感器的理论分析和设计计算；
（2）为标定和数据处理带来很大方便，只要知道线性输出—输入特性上的两点（一般为零点和满度值）就可以确定其余各点；（3）可使仪表刻度盘均匀刻度，因而制作、安装、调试容易，提高测量精度；（4）避免了非线性补偿环节。

实际上许多传感器的输出—输入特性是非线性的，如果不考虑迟滞和蠕变效应，一般可用下列多项式表示输出—输入特性。
式中 a0—零位输出 y—输出量 x—输入物理量 a1—传感器线性灵敏度 a2、a3 、an—待定系数在研究线性特性时，可不考虑零位输出。上式可能有三种特殊情况。　　（１）理想的线性特性。如图(a)所示　y = a1x的直线。在这种情况下，因此得到因为直线上任何点的斜率都相等，所以传感器的灵敏度为

（2）仅有偶次非线性项、如图（b）所示，其输出—输入特性方程为：
因为它没有对称性，所以其线性范围较窄。一般传感器设计很少采用这种特性。（３）仅有奇次非线性项，如图（c）所示，其输出—输入方程式为：

由上式可见，差动式传感器消除了偶次项，使线性得到改善，同时使灵敏度提高一倍。
具有这种特性的传感器，一般在输入量x相当大的范围内具有较宽的准线性。这是比较接近理想直线的非线性特性，它相对坐标原点是对称的，所以它具有相当宽的近似线性范围。　　传感器的输出—输入特性的线性度除受机械输入（弹性元件）特性影响外，也受电气元件的输出特性的影响。使电气元件对称排列，差动方式可以消除电气元件中的偶次分量，显著地改善线性范围。例如差动传感器的一边输出为：另一边反向输出为：总输出为二者之差：由上式可见，差动式传感器消除了偶次项，使线性得到改善，同时使灵敏度提高一倍。　　在使用非线性特性的传感器时，如果非线性项的方次不高，

传感器的输出——输入特性曲线（静态特性）是在静态标准条件下进行校准的。
在输入量变化范围不大的条件下，可以用切线或割线等直线来近似地代表实际曲线的一段，这种方法称为传感器非线性特性的“线性化”。所采用的直线称为拟合直线。实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差，如下图所示，取其中最大值与输出满度值之比作为评价非线性误差（或线性度）的指标。　　传感器的输出——输入特性曲线（静态特性）是在静态标准条件下进行校准的。静态标准条件是指没有加速度、振动、冲击（除非这些参数本身就是被测物理量），环境温度为20±5ºC,相对湿度<85%,气压为760±60毫米汞柱的情况.在这种标准工作状态下,利用一定等级的校准设备,对传感器进行往复循环测试,得到的输出输入数据一般用表列出或画成曲线.

拟合直线是传感器的理论特性，与实际测试值无关。采用最小二乘法拟合时，设拟合直线方程为
而拟合直线的获得有多种标准：1.理论拟合；2.过零旋转拟合；3.端点连线拟合；4.端点连线平移拟合；5.最小二乘拟合；6.最小包容拟合等。比较常用的是最小二乘拟合，一般是在标称输出范围中和标定曲线的各点偏差平方之和最小(即最小二乘法原理)的直线作为拟合直线(也称参考直线)。　　拟合直线是传感器的理论特性，与实际测试值无关。采用最小二乘法拟合时，设拟合直线方程为　　若实际校准测试点有n个，则第　个校准数据与拟合直线上响应值之间的残差为最小二乘法拟合直线的原理就是使　　为最小值，即

在获得和之值后代入拟合直线表达式，即可得到拟合直线，然后按残差表达式求出残差的最大值即为非线性误差
也就是使　　　对　和　一阶偏导数等于零，即　从而求出　和　的表达式为在获得　和　之值后代入拟合直线表达式，即可得到拟合直线，然后按残差表达式求出残差的最大值　　即为非线性误差

灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值，用来表示，即
1.2 灵敏度　　灵敏度是指传感器在稳态下输出变化对输入变化的比值，用来表示，即对于线性传感器，它的灵敏度就是它的静态特性的斜率，即非线性传感器的灵敏度为一变量，如上图所示。一般希望传感器的灵敏度高，在满量程范围内是恒定的，即传感器的输出—输入特性为直线。

1.3 迟滞（迟环）迟滞（或称迟环）特性表明传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间输出—输入特性曲线不重合的程度如右图所示。也就是说，对于同一大小的输入信号，传感器正反行程的输出信号大小不相等，这就是迟滞现象。产生这种现象的主要原因是传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等。　　迟滞大小一般要由实验方法确定。用最大输出差值对满量程输出的百分比表示或 —正反行程输出值间的最大差值

1.4 重复性　　重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测试时所得特性曲线不一致性程度，见右图。多次重复测试的曲线越重合，说明重复性好，误差也小。重复性的好坏是与许多因素有关的，与产生迟滞现象具有相同的原因。　　不重复性指标一般采用输出最大不重复误差　　与满量程输出　　的百分比表示。　　不重复性误差是属于随机误差性质的，按上述方法计算就不太合理了。校准数据的离散程度与随机误差的精密度相关的，应该根据标准偏差来计算重复性指标。因此，重复性误差　可按下式计算：标准偏差　可以根据贝塞尔公式计算

２.传感器的动态特性 2.1动态参数测试的特殊问题 —测量值； —测量值的算术平均值； —测量次数。
　　—测量值；　　—测量值的算术平均值；　　—测量次数。２.传感器的动态特性 2.1动态参数测试的特殊问题　　在测量静态信号时，线性传感器的输出—输入特性是一条直线，二者之间有一一对应的关系，而且因为被测信号不随时间变化，测量和记录过程不受时间的限制。而在实际测试工作中，大量的被测信号是动态信号，传感器对动态信号的测量任务不仅需要精确地测量信号的幅值的大小，而且需要测量和记录动态信号变化的波形，这就要求传感器能迅速准确地测出信号幅值的大小和无失真的再现被测信号随时间变化的波形。　　传感器的动态特性是指传感器对激励（输入）的响应（输出）特性。一个动态特性好的传感器，其输出随时间变化的规律（变化曲线），将能同时再现输入随时间变化的规律（变化曲线），即具有相同的时间函数。这就是动态测量中对传感器提出的新要求。但实际上除了具有理想的比例特性的环节外，输出信号将不会

与输入信号具有完全相同的时间函数，这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。
　　为了进一步说明动态参数测试中发生的特殊问题，下面讨论一个测量水温的实验过程。用一个恒温水槽，使其中水温保持在T℃ 不变，而当地环境温度为T0℃ 把一支热电偶放于此环境中一定时间，那么热电偶反映出来的温度应为T0℃ （不考虑其它因素造成的误差）。设T>T0 ，现将热电偶迅速插到恒温水槽的热水中（插入时间忽略不计），这时热电偶测量的温度参数发生一个突变，即从T0℃ 突然变化到T℃ ，我们马上看一下热电偶输出的指示值，是否在这一瞬间从原来的T0℃ 立刻上升到T℃ 呢？显然不会。它是从T0℃ 逐渐上升到T℃ 的，热电偶指示出来温度从T0℃ 上升到 T℃ ，经历了时间从t0 到t 的过渡过程，如右图所示。没有这样一个过程就不会得到正确的测量结果。而从t0→t 的过程中，测试曲线始终与温度从T0℃ 跳变到T℃ 的阶越波形存在差值，这个差值就称为

动态误差，从记录波形看，测试具有一定失真。　　　　　　　　　　究竟是什么原因造成的测试失真和产生动态误差呢？首先可以肯定，如果被测温度不产生变化，不会产生上述现象。另一方面，就应该考查热电偶（传感器）对动态参数测试的适应性能了，即它的动态特性怎样。热电偶测量热水温度时，水温的热量需要一个过程和足够的时间间隔，所以热电偶不能在被测温度变化时立即产生相应的反映。这种由热容量所决定的性能称为“热惯性”。这种热惯性是热电偶固有的，这种热惯性就决定了热电偶测量快速温度变化时产生动态误差。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　这种影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有，只不过它们的表现形式和作用程度不同而已。研究传感器的动态特性主要是从测量误差角度分析产生动态误差的原因以及改善措施。２.２研究传感器动态特性的方法及其指标　　研究动态特性可以从时域和频域两个方面采用瞬态响应法和频率响应法来分析。由于输入信号的时间函数形式是多种多样的，在时域内研究传感器的响应特性时，只能研究几种特定的输入

时间函数如阶越函数，脉冲函数和斜坡函数等的响应特性。在频域内研究动态特性一般是采用正弦函数得到频率响应特性。动态特性好的传感器暂态响应时间应该很短或者频率响应范围应很宽的。这两种分析方法内部存在必然的联系，再不同场合，根据实际需要解决的问题不同而选择不同的方法。　　　　　　　　　　　　　　　在对传感器进行动态特性的分析和动态标定时，为了便于比较和评价，常常采用正弦变化和阶越变化的输入信号。在采用阶越输入研究传感器时域特性时，为表征传感器的动态特性，常用上升时间 trs、响应时间tst、过调量C等参数来综合描述，如右图所示。上升时间trs 是指输出指示值从最终稳定值的5％或

10％变到最终稳定值的95%或90%所需要的时间。响应时间
　是指从输入量开始起作用到输出指示值进入稳定值所规定的范围内所需要的时间。最终稳定值的允许范围常取所允许的测量误差值　　。在写出响应时间时应同时注明误差值的范围，例如过调量C是指输出第一次达到稳定值后又超出稳定值而出现的最大偏差，常用相对于最终稳定值的百分比来表示。 tst 在采用正弦输入研究传感器频域动态特性时，常使用幅频特性和相频特性，描述传感器的动态特性，其重要指标是频带宽度，简称带宽。带宽是指增益变化不超过某一规定分贝值的频率范围。

目录第三章第四章第五章第六章第一章第二章第一节应力、应变的基本概念第五节硅压阻式压力传感器的制造
目录第三章第四章第五章第六章第一章第二章第一节应力、应变的基本概念第五节硅压阻式压力传感器的制造第二节导体受力后电阻的变化第六节硅压阻式传感器的测量与补偿线路第三节压阻式压力传感器的基本原理第七节压阻式压力传感器的结构、性能与应用第四节压阻式压力传感器的结构设计第八节电容式传感器

第二章压力传感器

第二章力学量传感器　　力学量传感器主要是用于测量力、加速度、扭力、压力、流量等物理量。这些物理量的测量都是与机械应力有关，所以把这类传感器称为力学量传感器。力学量传感器的种类繁多，应用较为普遍的有：电阻式、电容式、变磁阻式、振弦式、压阻式、压电式、光纤式等。不同类型的力学量传感器所涉及的原理、材料、特性及工艺也各不相同，本章不可能一一讲到。这里只准备对扩散硅压阻式压力传感器的原理、设计及部分工艺作一讨论。

第一节应力、应变的基本概念 1.应力的基本概念在一组自相平衡的外力作用下物体内各个部分产生相互作用力，我们用应力来描写。给一根截面积为的均匀直杆两端施加方向相反的拉力。如果在杆中点作一垂直于杆轴的截面并且考虑被这截面分开的左半段杆子，根据静力平衡要求，在此截面上分布有合力为的力，这个力就是右半段杆子通过截面作用到左半段杆子上的内力。我们把作用在单位面积上的内力叫做应力。

式中，值大于零表示拉伸应力，小于零表示压缩应力。应力符号的两个下角标中，第
式中，值大于零表示拉伸应力，小于零表示压缩应力。应力符号的两个下角标中，第一个记为截面法线指向，该应力是由法线指向一侧物体作用在法线离开一侧物体上的。第二个下角标记为力的方向，上式给出的应力是作用在点的、垂直于杆轴的截面上的沿杆轴方向的应力。如果通过点作一斜截面，其法线记作见图2，它与杆轴夹角为，在它上面作用着沿杆轴方向的合力为的分布内力作用，但是该截面面积为所以每单位面积上沿杆轴方向的内力为

它就是在点截面上沿正方向的应力。为了求得作用在这个斜面上的垂直于截面及在截面内的应力，可将力向法线方向及截面内方向投影，
它就是在点截面上沿正方向的应力。为了求得作用在这个斜面上的垂直于截面及在截面内的应力，可将力向法线方向及截面内方向投影，相应的应力为：式中，为正应力，为切应力。

2.应变的基本概念在外力作用下物体会产生变形，应变是衡量变形大小的力学量。图3给出直杆及坐标轴在杆中截取一个微元，和的坐标分别为和。当杆件两端受到力的作用时，杆件会发生伸长，、分别移动到和，它们的坐标分别为，。对微元段变形前的长度：变形后长度：微元段的伸长为段的平均伸长：

第二节导体受力后电阻的变化为了表示杆件在点的变形情况，应当让趋于零。如果考虑杆件的变形很小，和有近似关系
为了表示杆件在点的变形情况，应当让趋于零。如果考虑杆件的变形很小，和有近似关系这样就得到所谓点的应变第二节导体受力后电阻的变化设有一根长为、截面积为、电阻率为的导体，其起始电阻为，于是有：（1-1）设导线在力作用下，其长度变化，截面变化，半径变化，电阻率变化，因而将引起变化。对上式微分可得

（2-2）由于（2-3）所以式（2-2）可写成令与的比为泊松系数，，则有式中负号表示径向应变与轴向应变相反（2-4）
令与的比为泊松系数，，则有式中负号表示径向应变与轴向应变相反（2-4）

将式（2-4）代入式（2-3），整理后得到（2-5）或写为（2-6）（2-7）
称为金属材料的灵敏系数，即单位应变所引起的电阻变化率。由式（2-6）可知，金属材料的灵敏系数的大小是由两个因素引起的。一个是金属丝几何尺寸的变化引起的，即项；另一个是受力后材料的电阻率变化引起的，即项。对金属材料而言，前项是主要的，而对半导体材料，后项则是主要的。

第三节压阻式压力传感器的基本原理大量实验证明，金属材料在一定应变范围内，为一常数。因此式（2-5）以增量表示可写为（2-8）
大量实验证明，金属材料在一定应变范围内，为一常数。因此式（2-5）以增量表示可写为（2-8）上式说明，金属材料在一定应变范围内的电阻变化率与应变成正比。这是金属应变片式传感器的工作原理。第三节压阻式压力传感器的基本原理 2.3.1概述固体受到力的作用后，电阻率将发生显著的变化，我们称为压阻效应。利用这种效应制成的传感器可用于测量力，压力、加速度、载荷和扭矩等参量。硅晶体有良好的弹性形变性能和显著的压阻效应，利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的传感器，具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范围宽、易于小型化和批量生产及使用方便等特点。其中硅杯式扩散型压阻式压力传感器更成为人们所重视的一种新型传感器。

2.3.2 基本原理压阻式传感器的基本原理可以从材料电阻的变化率看出。我们知道任何材料电阻的变化率都可由下式决定：
基本原理压阻式传感器的基本原理可以从材料电阻的变化率看出。我们知道任何材料电阻的变化率都可由下式决定：对半导体而言，上式中前两项很小，而电阻率的变化率较大，故半导体电阻的变化率主要是由第三项引起的。已知（2-21）如果引用式中，为压阻系数；为应力；为弹性模量；为轴向应变，则上式可写为： (2-22)

硅的压阻效应与晶向有关，设计和制造时应注意晶向的选择。
式中，为半导体材料的灵敏系数。半导体材料的比大得多，因而电阻相对变化可写成（2-23）上式说明，半导体材料受力后电阻的变化率主要是由引起的，这就是压阻式传感器所依据的原理。硅的压阻效应与晶向有关，设计和制造时应注意晶向的选择。

2.3.3 压阻系数硅作为各向异性的晶体，它的压阻系数具有复杂的形式，现讨论如下：
压阻系数硅作为各向异性的晶体，它的压阻系数具有复杂的形式，现讨论如下：一、应力张量弹性体内某一点的应力，要用九个应力分量组成的应力张量来描述。（2-24）由于弹性体中任意正平行六面体不仅满足内力平衡条件，而且满足内力矩平衡条件，因此有

称为切向应力分量。应力的单位是通常张应力取正值；压应力取负值。
应力张量是二阶对称张量，独立的应力分量只有六个。为了反映应力张量只包括六个独立分量，常把二阶对称应力张量的两个角标简化成一个角标，写成形式，并用一列矩阵表示为：其中称为法向应力分量。称为切向应力分量。应力的单位是通常张应力取正值；压应力取负值。（2-26）

二、压阻系数如将半导体材料（一般是单晶体）沿三个晶轴方向取一正平行六面体，并以三个晶轴为坐标轴，则可建立起正交坐标系。九个应力分量中有六个是独立的。应力的存在将引起电阻率的变化，用来表示电阻率的变化率。而电阻率的变化率与应力之间的关系是由压阻系数联系起来的，它们之间的关系可由下列矩阵方程给出：（2-27）

由于剪切应力不可能在该应力所在平面之外产生压阻效应则：
由于法向应力不可能产生剪切压阻效应，则由于剪切应力不可能产生正向压阻效应，则由于剪切应力不可能在该应力所在平面之外产生压阻效应则：由于单晶硅是正立方晶体，三个晶轴是完全等效的，加之坐标系又与晶轴重合，则有正向压阻效应相等，即横向压阻效应相等，即剪切压阻效应相等，即

所以硅在晶轴坐标系中压阻系数的矩阵可简化为：
（2-28）由矩阵可以看出，独立的压阻系数分量仅有三个。分别为晶轴方向上的纵向压阻系数、横向压阻系数、剪切压阻系数分量，也称它们为基本压阻系数分量。

任意晶向的压阻系数若电流通过单晶硅的方向为，如图5 所示，图中坐标轴1、2、与硅的晶轴重合。为任意方向，设此方向为纵向。如有应力沿此方向作用在单晶硅上，则称此应力为纵向应力，以表示。欲求反映纵向应力在单晶硅方向所引起的电阻率变化的纵向压阻系数，则必须将式（2-28）中各压阻系数分量全部投影到方向，才可得到。设取一新的坐标系，使轴与重合。设（即轴）在晶轴坐标系123中的方向余弦为，则投影结果为：图5求任意晶向的压阻系数（2-29）

此式是计算任意晶向的纵向压阻系数公式。此式是计算任意晶向的横向压阻系数公式。
设方向与方向垂直，称为的横向。若有应力沿方向作用在单晶硅上，则称此应力为横向应力，以表示。欲求反映此横向应力在单晶硅纵向引起电阻率变化的横向压阻系数，也可利用上述的投影方法求得。使轴的方向与方向一致，设（即轴）在晶轴坐标系中的方向余弦为，投影结果为： (2-30) 此式是计算任意晶向的横向压阻系数公式。如果单晶硅在此晶向上同时只有纵向应力与横向应力的作用，则在此晶向上（即电流通过的方向）的电阻率的变化率，也就是电阻的变化率可由下式求出：（2-31）

左表是有关的压阻系数

三、影响压阻系数的一些因素影响压阻系数的因素，主要是扩散杂质的表面浓度与温度。压阻系数与扩散杂质表面浓度的关系，如图所示。图中一条曲线为型硅扩散层的压阻系数与表面浓度的关系；另一条曲线则为型硅扩散层的压阻系数与表面浓度的关系曲线。由曲线可见，压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小，而且在相同表面浓度下，型硅的压阻系数比型硅的高。因此选用型层有利于提高器件的灵敏度。压阻系数与温度的关系，如图1-9（a）、（b）所示。（a）图示出了P型层与温度的关系；（b）则示出了N型层与温度的关系。由图可见，表面浓度低时，温度升高，压阻系数下降得快；表面浓度高时，温度升高，压阻系数下降得慢。为降低温度的影响，扩散杂质的表面浓度高些较好。但是在提高扩散浓度时，压阻系数将要降低，而且高浓度时，扩散层P型硅与衬底N型硅之间的PN结

的击穿电压也要降低，从而使绝缘电阻降低。所以在决定采用多高的表面浓度时，应全面考虑压阻系数、绝缘电阻及降低温度影响等各因素的要求。

第四节压阻式压力传感器的结构设计 2.4.1 硅压力膜片的应力分布
第四节压阻式压力传感器的结构设计 2.4.1 硅压力膜片的应力分布　　利用半导体材料的压阻效应可以制成压力传感器。这种压力传感器的核心部分是一个周边固支的上面扩散有硅应变电阻条的硅敏感膜片，即硅压阻芯片。硅压阻芯片常采用两种结构，一种是周边固支的圆形硅杯膜片结构，如图（a）所示；另一种是周边固支的方形或矩形硅杯膜片结构，如图（b）所示。硅杯膜片结构不同，应力的分布也不同。

根据上两式可作出圆形硅杯膜片上的应力分布图，如右图所示。由图可见，硅膜片圆心和边缘部位是应力最大的部位。
　　对于圆形硅杯膜片，当压力作用其上时，在硅膜片背面产生的表面径向应力和表面切向应力与所加的压力、膜片厚度、膜片有效半径、泊松系数、计算点的半径的关系式为根据上两式可作出圆形硅杯膜片上的应力分布图，如右图所示。由图可见，硅膜片圆心和边缘部位是应力最大的部位。

。为了保证膜片在工作时的线性，应使硅膜片处于小挠度
当时，；时，，即为拉应力；时，，即为压应力。当时，仅有的压应力；当时，；当时。为了保证膜片在工作时的线性，应使硅膜片处于小挠度变形范围内。一般讲，当硅膜片的应变量小于（微应变），即相当应力小于时，可满足上述要求。在设计硅压阻芯片时，应把扩散应变电阻条配置在应力最大的位置，以获得最大的灵敏度。　　对于周边固支的方形或矩形硅杯膜片上任意点的应力难于用解析式给出，一般用有限差分法进行数值解。压阻式压力传感器硅芯片设计中的一些问题　　硅压阻芯片是压阻式传感器的核心部分，其设计因用途而异。以下仅就有关设计中的一般原则进行讨论。前面已经指出，

半导体压阻效应器件按力敏电阻制作工艺方法的不同，可分为体型与扩散型两大类。它们虽各有特点，但又有许多共同之处。所以本节将要介绍的有关扩散型压力传感器硅芯片设计中的一些问题，对于设计体型半导体力敏感元件也是适用的。　　一、硅杯结构与材料的选择　　已知硅压阻芯片采用的硅杯结构有两种，周边固支的圆形硅杯和周边固支的方型或矩形硅杯。采用周边固支硅杯结构，可使硅膜片与固支环构成一体，既可提高传感器的灵敏度、线性、减小滞后效应。又便于批量生产。圆形硅杯结构多用于小型传感器，方型或矩形硅杯结构多用于尺寸较大、输出较大的传感器，圆形硅杯是最常采用的一种硅杯形式，制作工艺比较成熟，其应力的计算与分布均已给出。所以本节将以圆形硅芯片的设计为例进行讨论。　　硅杯材料的选择是极为重要的，通常选用N型硅晶片作为硅杯膜片，在其上扩散P型杂质，形成电阻条。这是因为，P型电阻条的压阻系数较N型为大，灵敏度高，而温度系数比N型的小，也易于制造。N型硅膜片晶向的选取，除应考虑获得高压力灵敏度外，

还要考虑各向异性腐蚀形成硅杯制造工艺的要求，一般选取〈100〉或〈110〉晶向的硅膜片。
　　N型硅膜片的电阻率，通常选取8~15Ώ·cm,这样可使P型扩散电阻条所产生的PN结的隔离作用有足够的耐压性。对于P型电阻条杂质的控制也较灵活。如果传感器的激励电源电压较低，也可用电阻率更小的硅膜片。　　二、硅杯尺寸的确定　　1.硅杯的直径、膜片厚度的确定　　对于圆形硅杯膜片的几何尺寸，一般指的是它的有效半径a和厚度h而言的。当硅杯膜片受一定压力作用时，要保证硅膜片的应力与外加压力有良好的线性关系，其条件为硅膜片的半径与膜片厚度的比应满足以下关系：式中，　为硅的弹性极限，由上式可知，在给定压力P下可求出

a/h的比值；选定有效半径a后，则可求得硅膜片的厚度h。２.固有频率
　　２.固有频率　　硅杯压阻压力传感器在动态条件下使用时，应具有一定的固有频率，在确定硅膜片的有效半径和厚度时，要同时满足固有频率的要求。周边固支圆形硅膜片的固有频率　为式中　E—弹性模量　　　ρ—硅材料的密度　　当有效半径a一定时，可由上两式得出满足线性与固有频率要求的硅膜片厚度。硅的弹性模量和钢材料几乎相等。但硅的密度为钢的1/3到1/4，故硅膜片的固有频率比钢膜片高2倍。　　三、扩散电阻条的阻值、尺寸、取向与位置的确定　　硅压阻芯片是在N型硅杯膜片上扩散四个P型电阻，一般接成惠斯顿电桥而构成的。电阻条的阻值、几何尺寸、位置与取向

的配置都对传感器的灵敏度有很大的影响，需要计算确定。１.扩散电阻条的阻值与几何尺寸的确定
　　１.扩散电阻条的阻值与几何尺寸的确定　　硅杯膜片上的四个电阻按下图（a）连成惠斯顿电桥。为了获得较大的输出，要考虑与负载电阻的匹配，如果传感器后面接的负载电阻为　如下图（b）所示，则负载上获得的电压为只有在　　　　　　时有所以传感器的输出电阻（等于电桥桥臂的电阻值），应该小些。设计时一般取电桥桥臂的阻值（也就是每个扩散电阻的阻值）为500~3000欧姆。

关于电阻条的设计我们在集成电路课程中已经学过，这里就不讲了。２.扩散电阻条的取向与位置的确定
　　２.扩散电阻条的取向与位置的确定　　由前所述可知，圆形硅杯膜片上扩散电阻的电阻变化率可由下式给出：　—纵向压阻系数；　—横向压阻系数；　—径向应力；　　　—切向应力；　　由上式可知，欲获得大的电阻变化率，提高传感器的灵敏度，扩散电阻条应选择在压阻效应较大的晶向和应力大的部位上。扩散电阻一般连接成惠斯顿电桥是为了提高力敏电桥电路灵敏度的目的。在电阻条选取定位时，还要满足硅膜片受力后其上的一对电阻的阻值变化率　　　为正值，而另一对的阻值则应为负值。下面不难看出，在满足上述要求的情况下，压阻效应的选用可以是： ①只利用纵向压阻效应；②既利用纵向压阻效应又利用横向压阻效应。在定位上。电阻条可位于同一应力区，也可分别位于正负应力区。下面将分别举例予以说明。　　（１）利用纵、横压阻效应位于同一应力区的力敏电阻

图中表明力敏电阻R2、R4沿〈110〉晶向布置，纵向为〈110〉，则其纵向压阻系数为
　　一般设计者往往选取N型硅作为衬底材料，选取（100）晶面作为硅膜片。此时〈110〉和〈〉晶向上的压阻系数最大，对称性也好，所以一般利用扩硼的方法扩散出两个P型电阻沿〈〉晶向布置，另两个P型电阻沿〈110〉布置，此种设计如右图所示。　　图中表明力敏电阻R2、R4沿〈110〉晶向布置，纵向为〈110〉，则其纵向压阻系数为在（001）晶面上，〈110〉晶向的横向为〈〉，其横向压阻系数为由计算可知，〈110〉、〈　〉晶向在晶轴坐标系中的方向余弦为

将上述方向余弦值分别代入纵、横向压阻系数表达式中，再取近似，即可得〈110〉方向上的纵向压阻系数与横向压阻系数：
　　将上述方向余弦值分别代入纵、横向压阻系数表达式中，再取近似，即可得〈110〉方向上的纵向压阻系数与横向压阻系数：　　当硅膜片受力后，力敏电阻R2、R4阻值相对变化率（即径向电阻变化率　　　　）应为将〈110〉方向的径向压阻系数和横向压阻系数代入上式，得

当力敏电阻R1、R3沿〈〉晶向布置时，其纵向压阻系数为
其横向压阻系数为用上面同样的方法可得到〈　〉方向径向和横向压阻系数的近似值分别为　　硅膜片受力后，力敏电阻R1、R3阻值相对变化量（即切向电阻变化率　　　）为

当r相同时，即纵向电阻与横向电阻布位于同一应力区时，纵、横向电阻相对变化率互为相反数。作出它们与r的关系曲线，如下图所示。
将〈　〉方向的纵向和横向压阻系数代入上式，可得　　由径向电阻和切向电阻的相对变化率表达式可以看出，此种设计方案关键在如何增加纵向和横向应力的应力差，而应力差随r的增大而增大。　　将圆形硅杯膜片表面上各点的径向应力和切向应力表达式代入电阻相对变化率表达式中，可得　　当r相同时，即纵向电阻与横向电阻布位于同一应力区时，纵、横向电阻相对变化率互为相反数。作出它们与r的关系曲线，如下图所示。

（２）只利用纵向压阻效应且分别位于正负应力区的力敏电阻
　　（２）只利用纵向压阻效应且分别位于正负应力区的力敏电阻　　一般常用N型硅以（011）晶面作为硅杯膜片，桥臂四个P型电阻均沿〈〉晶向布置，如图所示。在（011）晶面上〈〉晶向的纵向压阻系数为将代入上式得

（011）晶面上〈〉晶向的横向为〈100〉晶向，故横向压阻系数为
　　（011）晶面上〈〉晶向的横向为〈100〉晶向，故横向压阻系数为　将所以受力后，每个电阻的阻值变化率为代入上式得上式说明。此种设计方案电阻条受力后，阻值的相对变化率的正负主要取决于应力的正负，从应力分布图可以看出，0.635a处是径向正负应力的分界。当我们把力敏电阻布置在0.635a 以内的正应力区时，受力后力敏电阻的阻值变化率为正。当把力敏电阻R1，R3布置在0.635a以外时，位于负应力区，所以受力后力敏电阻的阻值变化率为负值。进而我们得到内外电阻的阻值变化率为

式中，分别是内、外电阻上所受的径向应力的平均值。如果设计时使因之有
可用下列两式计算圆形硅杯膜片上径向应力与切向应力的平均值：　　通过以上计算说明了当扩散力敏电阻按同一晶向布置时，在硅膜片受力后，由于力敏电阻分别处于正负应力区内，可使两个桥臂的电阻相对变化率为正值，另两个桥臂的电阻相对变化率为负值，因而可同样达到提高力敏电桥电路灵敏度的目的。

第五节硅压阻式压力传感器的制造　　压阻式压力传感器的结构，主要有敏感元件（俗称硅杯）及壳体两大部分。因此。按制造工艺的不同也可概括为如下两大过程：　　（1）采用集成电路的方法在硅片上扩散惠斯顿电桥的四个电阻，而在其反面腐蚀一定的杯孔。　　（2）将硅杯通过静电封接、低温玻璃烧结等工艺组成传感器，并对其性能参数进行测试。　　一、硅压阻传感器的制造　　１.硅杯的制作　　（1）选合适电阻率的单晶硅，进行定向、切割、双面磨抛，加工成一定形状、一定厚度的衬底基片，如右图所示

（2）采用集成电路方法对硅片进行氧化、光刻、扩散（或离子注入）等标准平面工艺制成电阻条。在背面刻出硅杯图形，进行硅杯腐蚀，制成硅杯压阻芯片。
　　（2）采用集成电路方法对硅片进行氧化、光刻、扩散（或离子注入）等标准平面工艺制成电阻条。在背面刻出硅杯图形，进行硅杯腐蚀，制成硅杯压阻芯片。　　2.封装工艺　　首先测试合格芯片，用静电封装与低温玻璃烧结的方法将硅杯组装在壳体上；然后进行压焊，调零补偿；最后对传感器表面进行保护处理。用静电封装与低温玻璃烧结的方法代替有机胶黏结，可大大减少传感器的蠕变与滞后影响。静电封接工艺是将金属（或半导体）和玻璃加热至玻璃软化点以下，同时加以高电压，使两者在相互密接处产生静电力作用，形成气密性封接。　　二、几种新型硅芯片的制备工艺　　用上述常规工艺制作硅芯片，虽然简单易行，但是通过控制腐蚀液和时间来控制硅杯膜片的厚度，是比较困难的，生产效率低，芯片一致性差，成品率较低，批量生产也有困难。下面介绍几种制备芯片的新工艺。

用集成电路的外延方法制作硅杯膜片是一种有效的方法，其制作工序如图所示
　　１.外延硅膜片制作法　　用集成电路的外延方法制作硅杯膜片是一种有效的方法，其制作工序如图所示　　硅片经过定向、磨、抛后，用扩散法或离子注入法将硼杂质注入硅片的一面（厚约１微米），形成P型薄层。用外延法在P型层上外延生长一层　层，　层　的电阻率比P型层高，外延层的厚度就是所需的硅杯膜片厚度。将此硅片氧化，在外延的　层上光刻出电阻条区，用扩散法或离子注入法制作成P型电阻条。蒸发铝和光刻铝引线和硅杯孔，用各向异性腐蚀法腐蚀形成硅杯，制成硅压阻芯片。　　这一方法的优点是：（1）由于采取对P型层不起作用的腐蚀液，P型层起着腐蚀隔离的作用。因此，硅膜片厚度是由外延生长控制的，可制成很薄的硅膜片。（2）硅杯的腐蚀能自动地在P型层停止。

操作方便，成品率高，特别适合小型的硅压阻式压力传感器的制造。 2.多晶硅膜片法
　　2.多晶硅膜片法　　为了制作成本低的硅压阻芯片，采用多晶硅作硅杯膜片，再在硅杯膜片上制作电阻条，形成硅压阻芯片，这一方法是利用多晶硅具有相当大的压力灵敏度，其压力灵敏度可由下式给出：式中R0、L0分别为零压力时的电阻和长度；、分别是压力产生的电阻变化与长度变化。　　其制作工序为：在（100）晶面或（110）晶面的N型单晶硅上生长一层氮化硅（膜厚约0.4~0.6微米）。再在氮化硅层上外延生长多晶硅（厚约6~8微米）。以二氧化硅为掩蔽膜，用扩散法或离子注入法掺入硼杂质，形成P型电阻条。在背面光刻出硅杯掩蔽孔，

由于氢氧化钾腐蚀液对氮化硅不起作用，当腐蚀到氮化硅层时即自行停止，制成多晶硅膜片，如上图所示。此种方法，制造成本低，膜片厚度易于控制，压力灵敏度高。
　　3.硅-蓝宝石、硅-尖晶石弹性膜片的制备　　1975年美国贝尔公司发表专利，试制成功集成化硅-尖晶石弹性膜片。它是以尖晶石为衬底，外延一层P型硅制成应变电阻条，1979年美国康雷克公司研制成功硅-蓝宝石半导体力敏器件，它是在蓝宝石衬底上外延一层单晶硅，利用单晶硅层制作力敏电阻条。　　这些传感器的特点是取消了硅压阻压力传感器所采用的PN结隔离，代之以高介电强度的绝缘衬底隔离。这样就克服了PN结隔离的如下缺点：（1）绝缘电阻不能作得很高，一般为100~200M欧；（2）PN结需反向偏置，因此不能用于交流。　　前面所说的工艺中，前两项的目的是精确控制膜片的厚度。因为以前控制膜片的厚度是靠控制腐蚀速率和腐蚀时间，而这是很难作到精确控制的。其实，采用特别的方法是可以达到相同目的的。

利用上述方法可以精确的控制膜片厚度，其膜片厚度与硅片正面的切断孔的开孔尺寸有关。即膜片厚度等于开孔宽度的0.7倍。（注意铝膜的保护）
　　４.利用双面各向异性腐蚀控制膜片厚度　　该方法原理很简单，采用集成电路的方法制作力敏电阻条，在背面光刻硅杯掩蔽孔的同时，在正面也刻出“切断孔”，其工艺过程见下图。氧化氧化氧化光刻光刻光刻扩散扩散扩散各向异性腐蚀光刻光刻光刻蒸铝蒸铝蒸铝反刻铝反刻铝反刻铝光刻光刻光刻各向异性腐蚀各向异性腐蚀　　利用上述方法可以精确的控制膜片厚度，其膜片厚度与硅片正面的切断孔的开孔尺寸有关。即膜片厚度等于开孔宽度的0.7倍。（注意铝膜的保护）

当传感器用石英、陶瓷、高分子聚合物和金属材料为基底时，还要用到超精密机械加工技术，这里，激光精密加工（如激光打孔）将起到重要作用。
　　５.微机械加工技术　　一、概述　　微机械加工技术是制造微型传感器和微机械元件的工艺技术，对于微传感器的实现和应用具有决定性的作用，它是一种微米加工技术。目前，大体上分为三类：硅微机械加工技术，超精密机械加工技术和X射线深层光刻电铸成型（LIGA)技术。　　硅微机械加工技术是硅集成电路工艺的一项重要的扩展技术。它主要用于制造以硅材料为基底、层与层之间有很大差别的三维微结构，它包括膜片、悬臂梁、探针、凹槽、孔隙和锥体等。这些微结构与特殊用途的薄膜和高性能的电路相结合，已经成功地用于制造大量的固态传感器，实现压力、力、加速度、流量、磁场、pH值、温度、气体成分、离子和分子浓度的测量以及生物传感器等。　　当传感器用石英、陶瓷、高分子聚合物和金属材料为基底时，还要用到超精密机械加工技术，这里，激光精密加工（如激光打孔）将起到重要作用。　　X射线深层光刻电铸成型技术，是一种把X射线深层光刻

和电铸成型结合起来的微结构成型工艺。除硅之外，还可加工出各种金属、陶瓷和塑料材料的三维结构。这种加工方法可实现重复精度很高的大批量生产，而其它两类加工技术则很难做到。因此，LIGA技术的进一步研究将对微机械加工的发展起重大作用。　　二、硅微机械加工技术　　大部分微传感器都是用半导体硅制作，这不仅因为硅具有极优越的机械和电性能，更重要的是应用硅微机械加工技术可以制作出尺寸从亚微米到毫微米级微元件和微结构，且能达到极高的加工精度。硅微机械加工技术，除了含有高度发展的硅集成电路工艺外，还有它的一些独特工艺，主要有刻蚀（腐蚀）、薄膜和键合工艺。　　（１）.刻蚀技术　　a.体型结构腐蚀加工　　腐蚀加工是形成微型传感器结构的关键技术，有化学腐蚀（湿法）和离子刻蚀（干法）两大类。就单晶硅而言，常用化学腐蚀方法。已有多种化学腐蚀液可供选择使用。各向同性腐蚀利用氧化剂

为了精确地控制腐蚀后硅膜、硅梁等的厚度，常用PN结自停腐蚀技术。它是基于电化学腐蚀原理，即通过选择性
－HNO3、去除剂－HF（去掉SiO2）和稀释剂－CH3COOH或H2O。通过改变成分比可以达到在很宽的范围内对腐蚀速率、选择性和表面腐蚀条件的选择。各向异性腐蚀主要用于三维结构成形，腐蚀液一般有KOH+H2O、乙二胺+邻笨二酚+水（EPW）和H2N4+H2O。腐蚀速率依赖于晶向，沿主晶面（100）面的腐蚀速率最快，（111）面最慢。　　右图表明了单晶硅立体结构的腐蚀加工。在加工过程中，先生长一层氧化层作为光刻掩蔽膜，并覆盖光刻胶形成图案，再浸入缓冲过的腐蚀液（氢氟酸）中，进行氧化层腐蚀；然后将此片放入各向异性的腐蚀液（如EPW）中对晶面进行纵向腐蚀，腐蚀出腔体的界面为(111),与（100）表面的夹角为54.74度。　　为了精确地控制腐蚀后硅膜、硅梁等的厚度，常用PN结自停腐蚀技术。它是基于电化学腐蚀原理，即通过选择性

硅片上不应腐蚀的区域，都要用氧化层覆盖保护。
的生长阳极氧化层实现自停腐蚀层。P-N结自停腐蚀分二电极、三电极和四电极三种结构。在二、三电极结构中，P型硅电位是“浮动”的，这对于理想的P-N结，漏电为零，P型硅可以“浮”到开路电位而腐蚀。但实际材料总存在漏电，漏电流使P型硅在溶液中极化，当达到钝化电位时，腐蚀将提前终止在P型硅上。在四电极结构中，如下图所示，由于P型硅上增加一个电极，就可将P型硅相对于参比电极控制在开路电位。另外，再给P-N结加上个反偏电压。这样，便可实现腐蚀终止再N型硅外延层界面上。　　硅片上不应腐蚀的区域，都要用氧化层覆盖保护。　　离子刻蚀是加工硅、二氧化硅和多晶硅等的通用方法，刻蚀是在真空腔内进行的。该方法之一是等离子定向刻蚀。将硅片放在高频

反应离子在辉光放电中形成，并加速轰击放有硅材的基板。离子轰击可达到化学腐蚀一样的效果。离子刻蚀的缺点是，
电源（RF）驱动的电极上，并置于充有含氟里昂气体（如CF4）的化学反应等离子体中，其中被激发的氟离子有极强的化学活性，可以和处于等离子体中的硅、二氧化硅等发生如下反应：反应离子在辉光放电中形成，并加速轰击放有硅材的基板。离子轰击可达到化学腐蚀一样的效果。离子刻蚀的缺点是，至今所能达到的最大刻蚀深度约为50微米量级。　　（２）表面腐蚀加工——牺牲层技术　　近几年来，人们利用硅表面微机械加工技术，开发、研制出多种尺寸更小的悬式结构，如微型悬臂梁，悬臂块、微型桥和微型腔等。这些结构已成功地应用于微型谐振式传感器、加速度传感器，流量传感器和电容式传感器，应变式传感器中。　　该工艺技术的特点是，利用一个称为“牺牲层”的分离层制造出各种悬式结构，其一般工艺过程示于以下框图中：

通过淀积法（如溅射、化学气相、直接蒸发）在Si基片表面上生成SiO2牺牲层（微米量级）
下页的图为利用牺牲层制造多晶硅梁的技术过程。硅基底为N型硅（100），在硅基底上淀积一层氮化硅作为多晶硅梁的绝缘支撑，并刻出窗口（图（a））；利用局部氧化技术在窗口处生成一层二氧化硅作为牺牲层（图（b）；在二氧化硅层及剩下的氮化硅上面生成一层多晶硅膜并刻出微型硅梁（图（c））；腐蚀掉二氧化硅形成空腔，即获得桥式硅梁（图（d））。另外，腐蚀二氧化硅前先蒸铝，刻出铝压块以便引线（图（d））。根据要求的形状刻蚀掉一部分SiO2 再通过淀积法在所剩下的SiO2层上生成Si层（即悬式结构材料），该层同时淀积在Si基片上SiO2已被刻蚀掉的区域用刻蚀法刻蚀淀积的Si层溶解SiO2牺牲层获得与Si基片略微连接或完全分离的悬式结构

　　下图（a）～（j）为硅谐振子制造过程。硅基底为N型硅（100），在其表面上淀积一层二氧化硅并刻出窗口（图（a））；腐蚀出锥形槽（图（b））；局部生长强P型硅（图（c））；再局部生长掺硼的P型硅（图（d））；再生长强P型硅（图（e））；再生长掺硼的P型硅（图（f））；腐蚀掉余下的二氧化硅层（图（g））；腐蚀出空腔和谐振子（图（h））；再生长一层N

型硅层，借以封闭空腔（图（i））；抽出空腔内的氢气，形成一定真空度的空腔（图（j））。图（k）为由各向异性腐蚀的硅谐振子整体结构。

仅对发展微型传感器有重要意义，也对微能源、微致动器的发展具有重要作用。
　　综上所述，在利用牺牲层的表面微机械加工中，常用几种材料以薄膜形式组合在一起，形成结构层和牺牲层；再利用腐蚀技术制造出微型腔、微型桥、微型悬臂梁和膜片等。这种工艺技术不仅对发展微型传感器有重要意义，也对微能源、微致动器的发展具有重要作用。

制作薄膜的方法较多有：（１）真空蒸镀；（２）溅射成膜工艺；（３）化学气相淀积；（４）等离子化学气相淀积。
　　２.薄膜技术　　在微型传感器中，利用了各种薄膜。如多晶硅膜、二氧化硅膜、金属（合金）膜等作为传感器构件的复合材料。它们可以加工成各种梁、桥、弹性膜等，有的作为传感器的敏感膜，例如半导体和化合物半导体膜；有的作为介质膜起绝缘层作用，如氧化物介质膜；有的起尺寸控制作用的衬垫层（在加工完成之前去掉）。　　物理气相淀积和化学气相淀积是在衬底材料上制作薄膜的两种常用工艺技术。物理气相淀积是利用蒸镀和溅射（离子束轰击靶材料，使被轰击下来的物质在衬底上淀积）。化学气相淀积工艺是让气体与衬底材料本身在被加热的表面进行化学反应，使另一种物质在表面上成膜。　　制作薄膜的方法较多有：（１）真空蒸镀；（２）溅射成膜工艺；（３）化学气相淀积；（４）等离子化学气相淀积。　　由于在相关课程中已有介绍，各工艺具体的方法就不讲了。如有兴趣，可参考有关教材和科技书目。

该项工艺是深层同步辐射X射线光刻和电铸工艺相结合的制造技术。与牺牲层技术相结合便可制造出微型悬式结构，其工艺过程如左侧框图所示。
　　下页所示的图为用该工艺制造的悬臂结构示例。在陶瓷或附有绝缘层硅基底上溅射Cr、Ag贴附层和电铸成型的基底面（图（a））；腐蚀一部分中间层，溅射牺牲层，并用紫外光通过掩膜照射牺牲层制作平面图形（图（b））；在钛

牺牲层基底上淀积光致抗蚀剂（约300微米），然后覆盖掩膜（图（d））利用深层同步辐射X射线光刻技术对光致抗蚀剂层进行曝光，制成电铸用初级模型（图（e））；选金属Ni作为微结构的材料，在金属基底上以初级模板为模型进行电铸，形成与模板形状互为凹凸的三维结构（图（f））；腐蚀掉初级模板、牺牲层、最后获得悬式结构（图（g））。

四、微型传感器结构运用硅微机械加工技术制作的一些硅传感器的基本结构示于下图中。
　　四、微型传感器结构　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　运用硅微机械加工技术制作的一些硅传感器的基本结构示于下图中。

上图中（a）所示的硅膜片结构是硅电容式和扩散硅式压力传感器常用的基本结构，硅膜片由整体硅片经刻蚀技术获得。
　　（b）所示为悬臂梁结构，常用于加速度传感器，由刻蚀技术和牺牲层技术获得。　　（c）所示为桥式结构。　　（d）为支承膜结构。　　（e）所示为E型膜（硬中心）结构，是应变式传感器常用结构。　　（f）所示为梁式谐振结构，谐振梁由牺牲层技术做在硅膜片上，并封装在真空腔内，以提高振动梁的品质因数Q值。　　（g）所示为一种更为复杂的精巧谐振结构。直接感受被测量作用的是E型硅膜片，在其环形膜的上表面，制作一对起差动作用的硅谐振梁，并封装在真空腔内。这种结构适于制成谐振式低压差传感器。　　为了减少外界对传感器的影响，运用机械隔离的技术的概念

设计合理结构，实现敏感部分与机座解耦，下图给出几种起隔离作用的结构。

　　下图所示为硅压阻式压力传感器的一种整体组装结构。传感器芯片与硅（或硼硅玻璃）中间体由固相键合连接在一起形成压力腔室，为了减小封装产生的应力对传感器性能的影响，硅中间体与表壳之间不直接连接，而由经由进气管与表壳固连。为了减小因温度变化引起的应力，应尽可能采用相同材料或热胀系数相近的材料组合装配。完成该传感器的组装，需用到胶结、焊接、熔合、键合和硅各向异性腐蚀等工艺技术。

第六节硅压阻式压力传感器的测量与补偿线路
第六节硅压阻式压力传感器的测量与补偿线路　　6.1 压阻式传感器的测量线路　　压阻式传感器芯片上的四个扩散电阻，一般是接成惠斯顿电桥的形式，使输出信号与被测量成正比。为使电桥的灵敏度最大，将一对增加的电阻对接，将另一对减少的电阻对接，如下图所示。电桥常采用两种供电方式：恒压供电和恒流供电。　　一、恒压供电　　设四个扩散电阻起始值相等且为R，当有应力作用时，两个电阻阻值增加量分别为　　，两个电阻阻值减少量分别为　　。由于温度的影响，每个电

阻的改变量分别为，由上图可知，电桥的输出电压应为
阻的改变量分别为　　，由上图可知，电桥的输出电压应为整理后得如　　　　，即没有温度影响时，则　　由上式可知，电桥输出电压与　　　成正比，即与被测量成正比，同时又与电源电压　成正比，这就是说电桥的输出与电源电压的大小与精度有关。如　　　　时，前述公式可知，输出电压与温度有关，恒压源供电，不能消除温度的影响，这是它的缺点。但多个传感器使用时，供电简便。　　二、恒流源供电　　恒流源供电时，电桥如图所示。设电桥两支路电阻相等，即因之通过两个支路的电流相等，即

因此电桥的输出电压为　　电桥的输出与电阻的变化量成正比，即与被测量成正比。由于同时也与电源电流成正比，因此电桥输出与恒流源的电流大小与精度有关。恒流源供电时，电桥的输出与温度无关，这是它的主要优点。但是，恒流源供电，最好一个传感器配备一个电源，这在使用中是不方便的。　　三、压阻式传感器的测量线路　　压阻式传感器常用的放大电路如右图所示。三极管V1、V2组成复合管，再与二极管V5、V6以及R1、R2、R3构成恒流源电路，供给传感器不随温度变化的恒定电流。结型

场效应管V3、V4与电阻R4、R5构成源极跟随器，将传感器与运算放大器A隔开，使放大器的闭环放大倍数不受传感器输出阻抗的影响。
　　6.2 压阻式传感器的温度漂移与补偿　　压阻式传感器受到温度影响后，就会产生零位漂移和灵敏度漂移，这是它的最主要的弱点。它来源于半导体物理性质对温度的敏感性。　　零位漂移是因为扩散电阻的阻值随温度变化引起的。扩散电阻的温度系数因薄层电阻不同而异。表面杂质浓度高时，薄层电阻小，温度系数也小；表面杂质浓度低时，薄层电阻大，温度系数增大。由于工艺上难于做到，使四个桥臂电阻的温度系数完全相同，因此不可避免的要产生零位漂移。提高表面杂质浓度，虽可减少电阻的温度系数，从而减少零位漂移，但是提高杂质浓度会降低传感器的灵敏度。　　压阻式传感器的灵敏度漂移是由于压阻系数随温度变化引起的。由压阻系数与温度的关系曲线可以看出，温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大。所以传感器的灵敏度当温度升高

压阻式传感器的优点众多，但是温度误差是这类传感器要着重解决的问题。减小温度误差的方法很多，现仅就几种线路补偿方法作一简介。
时要降低。如果提高扩散电阻的表面杂质浓度，压阻系数随温度的变化要小些，但传感器的灵敏度同样会降低。考虑漂移和传感器灵敏度的两方面的要求，扩散杂质表面浓度应选在　　压阻式传感器的优点众多，但是温度误差是这类传感器要着重解决的问题。减小温度误差的方法很多，现仅就几种线路补偿方法作一简介。　一、零位漂移补偿　　传感器的零位漂移一般是用串、并联电阻的方法进行补偿。见右图，RS是串联电阻；RP是并联电阻。串联电阻主要起调零作

用；并联电阻主要起补偿作用。其补偿作用的原理如下：
　　传感器存在零位漂移，就是说在温度变化时，输出B、D两点电位不相等。如温度升高时，R3的增加比较大，则D点电位低于B点电位，B、D两点的电位差就是零为温度漂移。要消除B、D两点的电位差，最简单的方法，就是在R3上并联一负温度系数阻值较大的电阻RP，用它约束R3的变化。这样当温度变化时，B、D两点间的电位差不致过大，从而达到补偿的目的。当然这时在R4上并联一正温度系数阻值较大的电阻进行补偿，其作用也是一样的。　　二、灵敏度漂移与补偿　　传感器的灵敏度漂移，一般是采用改变电源电压大小的方法进行补偿。温度升高时，传感器灵敏度要降低。这时如果使电桥电源电压提高一些，电桥的输出变大些，即可达到补偿的目的。反之，当温度降低时，灵敏度升高，电桥电源电压降低，使输出变小，即可达到补偿的目的。下图（a）中是用正温度系数的热敏电阻改变运算放大器的输出电压，从而改变电桥电源电压的大小，达到补偿的作用。下图（b）则是利用三极管的基极与发射极间PN结敏感温

度的高低，使三极管的输出电流发生变化，改变管压降的大小，从而使电桥电源电压得到改变，达到补偿的目的。

第七节压阻式压力传感器的结构、性能与应用
第七节压阻式压力传感器的结构、性能与应用　　由于压阻式传感器的灵敏度高、精度高、频率响应高、体积小、无活动部件等优点，使得它在航天、航空、航海、石油、化工、生物医药工程、地质等方面得到了广泛的应用。压阻式传感器可用作压力、拉力、压力差、液位、重量、应变、流量、加速度等物理量的测量。压阻式压力传感器的应用十分广泛，而它的结构、工艺又是由被测对象、使用目的、测试环境等因素决定的，因此下面将结合不同的应用介绍几种典型的压阻式压力传感器的结构。　　典型的压阻式压力传感器的结构原理图，如下图所示。硅膜片两边有两个压力腔，一个是和被侧压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，通常以小管和大气相连。核心部分硅膜片的设计与制作决定了传感器的性能。膜片一般设计成周边固支的圆型。　　目前大多数压阻式压力传感器工作温度低于150度。但有时测压需要在高温下进行。如发动机涡轮进口温度高达数百度。下图（b）示出了一种高温压阻式压力传感器，其工作温度可达350度，用于测量喷气发动机工作压力。扩散的电阻条在硅膜片的外侧，

而高温压力是通过进口中的工作介质传递到硅膜片内侧，使高温介质被硅膜片隔离，不直接作用与电阻条上，因而可承受高温作用。压阻式压力传感器小尺寸、高输出和
稳定可靠的性能，使得压阻式压力传感器成为生物医学上理想的测试手段。它可以插入生物体内作长期的观测。如注射针型压阻式压力传感器，硅膜片的厚度可达10微米，外径可达0.5毫米，此种传感器的结构如右图所示。

第八节电容传感器工作原理与类型电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。
第八节　电容传感器　　电容式传感器是将被测量的变化转换成电容量变化的一种装置，实质上就是一个具有可变参数的电容器。　　电容式传感器具有结构简单、动态响应快、易实现非接触测量等突出的优点。随着电子技术的发展，它所存在的易受干扰和分布电容影响等缺点不断得以克服，而且还开发出容栅位移传感器和集成电容传感器。因此它广泛应用于压力、位移、加速度、液位、成分含量等测量之中。工作原理与类型　　一、工作原理　　电容式传感器的基本原理可以用下图所示的平板电容器来说明。

式中、S和中的某一项或几项有改变时，就改变了电容C。
当忽略边缘效应时，其电容为　　式中　、S和　中的某一项或几项有改变时，就改变了电容C。　　和S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；　的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。　　二、类型　　实际应用时，常常仅改变　、S和　之中的一个参数来使C发生变化。所以电容式传感器可分为三种基本类型：变极距（变间隙）（　）型，变面积型（S）型和变介电常数（　）型。　　下表列出了电容式传感器的三种基本结构形式。它们又可按位移的形式分为线位移和角位移。每一种又依据传感器极板形状分成平板或圆板和圆柱形。

其中差动式一般优于单组（单边）式的传感器。它灵敏度高、线性范围宽、稳定性高。
（一）、变极距型传感器由电容表达式可知，当电容式传感器极板间距　因被测量变化而变化　时，电容变化　为其中　　　　是初始电容量。该类型电容式传感器存在着原理非线性，所以实际中常常作成差动式来改善其非线性。

这类传感器具有良好的线性。在此基础上发展起来的容栅式传感器是一种很有前途的传感器，现已应用于数显卡尺、测长机等数显量具。
　　（二）、变面积型电容传感器　　变面积型电容传感器中，平板形结构对极距变化特别敏感，测量精度受到影响。而圆柱形结构受极距径向变化的影响很小，成为实际中最常采用的结构，其中线位移单组式的电容量C在忽略边缘效应时为是外圆筒内半径和内圆柱外半径当两圆筒相对移动　　时，电容变化量　　为　　这类传感器具有良好的线性。在此基础上发展起来的容栅式传感器是一种很有前途的传感器，现已应用于数显卡尺、测长机等数显量具。

而右图所示的测厚传感器的电容量与被测量的关系为
　　（三）、变介质常数型电容传感器　　变介质常数型电容式传感器大多用来测量电解质的厚度、液位，还可根据极间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量介质材料的温度、湿度等。若忽略边缘效应，87页所示的单组式平板形线位移传感器的电容量与被测量的关系为而右图所示的测厚传感器的电容量与被测量的关系为应注意，电极之间的被测介质导电时，电极表面应涂盖绝缘层（如0.1mm厚的聚四氟乙烯等）以防止电极间短路。

目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章第一节半导瓷热敏电阻温度传感器第二节半导体温度传感器
目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章第一节半导瓷热敏电阻温度传感器第二节半导体温度传感器 1-1 半导瓷热敏电阻的基本特性 2-1非结型半导体温度传感器 2-2 PN结型半导体温度传感器 1-2 PTC热敏电阻器一、二极管温度传感器 1-3 NTC热敏电阻二、晶体管温度传感器 1-4 负温临界（CTR）热敏电阻器三、集成电路（IC）温度传感器

第三章温度传感器

　　热量及与之相关的温度是人类生活关系最为密切的物理量，也是人类研究最早、检测方法最多的物理量之一。自古以来，许多测量方法已为人们所熟知。随着社会的发展与进步，温度检测的重要性日益提高，温度传感器的应用范围也日益扩大。在工业、农业、交通运输、防灾、医疗、空间及海洋开发、家用电器等各个领域中都离不开温度传感器。　　近年来，随着电子计算机技术的显著进步，对温度传感器的要求越来越高。高精度、高稳定性的产品需求量不断扩大，因此，高性能的温度传感器的开发及应用，更加引起人们的重视。　　温度传感器按使用的方式可分为两大类：测温时使传感器与被测物体直接接触的称为接触型温度传感器；传感器与被测物体不接触，而是利用被测物体发出的热辐射来测量的称为非接触型温度传感器。　　温度是一个状态量，从超低温到超高温，范围极宽。同时，由于测量对象繁杂多样，因而没有任何一种温度传感器能够覆盖整个温度范围而又能满足一定的测量精度，而只能根据不同

第一节半导瓷热敏电阻温度传感器温度范围和不同检测对象，恰当地选择不同的传感器。
　　本章着重介绍几类用途广、精度高、稳定性好的温度传感器的基本原理、性能参数，以及它们的应用技术。第一节　　半导瓷热敏电阻温度传感器　　半导瓷热敏电阻一般是用金属氧化物为原料，采用陶瓷工艺制备的具有半导体特性的陶瓷电阻器。这些热敏电阻的共同特点是灵敏度高、重复性好、工艺性强，而且便于工业化生产，因而成本较低。目前已广泛用于工业、农业、科研、国防等各个领域。　　半导瓷热敏电阻主要有三种类型，即PTC热敏电阻、NTC热敏电阻和CTR热敏电阻。　　PTC热敏电阻是指具有正温度系数的热敏电阻，即其电阻值随温度的升高而增加。NTC热敏电阻的阻值则随温度的上升而减小。CTR热敏电阻的特点是当温度变化到某一数值（临界温度）

时，其电阻值会在几度的温度范围内下降3~4个数量级，常用于自动控制及温度报警电路中。
　　半导瓷热敏电阻的基本特性　　一、零功率电阻值（RT）　　零功率电阻值是指在规定的温度下，测量热敏电阻的电阻值，测量时应保证该电阻的功耗低到因其本身的功耗引起的电阻值的变化小到可以忽略的地步。此时，测得的电阻值即为热敏电阻的零功率电阻值。25度下的零功率电阻值称为额定电阻值。　　　二、电阻—温度特性　　电阻—温度特性是指在静止的

空气中测得的热敏电阻的零功率电阻值与其温度之间的依赖关系。PTC、NTC、及CTR热敏电阻的典型电阻—温度特性如上图所示。
　　三、电阻—温度系数（　）　　电阻—温度系数是在规定温度下，热敏电阻的零功率电阻值的相对变化率与产生这种变化的温度增量之比，即　　四、类别温度范围　　类别温度范围是指在零功率的条件下，热敏电阻可连续工作的环境温度范围，不同类型或不同型号的热敏电阻，具有不同的类别温度范围。通常在相应的产品详细规范中给出。　　五、热敏电阻的最大功率（Pmax）　　热敏电阻的最大功率是指在25度静止空气中，能长期施加在元件上的最大功耗。

热敏电阻的耗散系数定义为热敏电阻功率耗散的变化量（）与该元件的温度变化量（）之比，即热敏电阻的体温每升高１度所消耗的功率：
　　六、热敏电阻的耗散系数（　）　　热敏电阻的耗散系数定义为热敏电阻功率耗散的变化量（　　）与该元件的温度变化量（　　）之比，即热敏电阻的体温每升高１度所消耗的功率：　　七、热容量（C）　　热容量是指热敏电阻本体温度每变化１度所耗散或吸收的功率。　　八、热敏电阻的热时间常数（　）　　把在环境温度　下处于热平衡的热敏电阻放到温度为　（　　）的环境中去，热敏电阻将由于散热而逐渐冷却，直至本体温度降至　为止。这个变化的时间的快慢由热时间常数来表征。该参数是决定传感器反应快慢的重要参数。　　在任一时间间隔　内，热敏电阻耗散的热量为

从另一个角度看，在该时间内，令电阻本体温度变化了，则其耗散的热量为
式中　T—t时刻电阻的本体温度。　　从另一个角度看，在该时间内，令电阻本体温度变化了　，则其耗散的热量为显然有：或者解得式中　　　　　，称为热敏电阻的热时间常数。由上式可知，当　　　　时，有即

是指在25度静止空气中热敏电阻在建立了热平衡以后，加在其两端的电压与稳定电流之间的关系。不同类型的热敏电阻具有不同的静态伏—安特性。
　　可见，时间常数的物理意义是，热敏电阻在零功率状态下，当环境温度从一个特定值相另一个特定值变化时，电阻体温度变化了这两个特定温度之差的63.2%所用的时间。　　九、静态伏—安特性　　是指在25度静止空气中热敏电阻在建立了热平衡以后，加在其两端的电压与稳定电流之间的关系。不同类型的热敏电阻具有不同的静态伏—安特性。　　以上几种特性参数是各类热敏电阻所共有的。除此以外，各类热敏电阻尚有各自特殊的特征参数。　　半导瓷热敏电阻的制备工艺流程如下图所示。配料球磨预烧球磨测试被电极烧成成型

PTC热敏电阻通常是用掺入稀土元素使之半导化而制成的。
　　一、导电机理　　大量实验证明：BaTiO3半导瓷的PTC效应是由于晶粒边界上的肖特基势垒引起的，如下图所示。　　　　图中，NC、NS分别为导带状态密度和表面态密度；ES为表面态距导带底的距离；EF为费米能级。势垒高度　可通过求解泊松方程获得：

图中，曲线Ⅰ为突变型（开关型），曲线Ⅱ为缓变型（直线型）。
　　二、性能参数　　１.电阻—温度特性　　典型的电阻—温度特性如右图所示。　　图中，曲线Ⅰ为突变型（开关型），曲线Ⅱ为缓变型（直线型）。　　曲线Ⅰ上Tb为开关温度，对应的零功率电阻Rb为开关电阻值。开关温度是由材料的居里温度决定的。常用的PTC热敏电阻的开关温度，从０度到340度每隔10度一档系列化。居里温度的移动是通过改变材料的配方实现的。开关温度表征开关型PTC热敏电阻器的电阻值产生阶跃增大时的温度，工程上一般规定阻值增大到最小电阻值Rmin的2倍时的温度。Rp为直热式PTC热敏电阻的平衡点电阻，指在25度静止空气中，对PTC元件施加最大工作电压Vmax（指热敏电阻能够长期稳定工作在开关状态下的最大电压），当电阻体的温度平衡时所具有的电阻值。平衡点电阻对应的温度

缓变型PTC热敏电阻器的电阻值与温度的依赖关系，在一定温度范围内近似为线性。这种电阻器适于温度检测和补偿用。
为平衡点温度。　　缓变型PTC热敏电阻器的电阻值与温度的依赖关系，在一定温度范围内近似为线性。这种电阻器适于温度检测和补偿用。　　２.电流—时间特性　　电流—时间特性是指当PTC元件两端加上额定工作电压时，流过元件的电流I与时间t的关系。电流—时间特性与电阻—温度特性之间有一定的内在关系。电流—时间特性描绘热敏电阻施加电压时，流过电阻体内电流的变化情况。即直观反映元件的开关特性，对实际应用起重要的指导作用。右图为实测交流的电流—时间特性曲线示意图。电流—时间特性的典型应用有自动消磁、马达启动、延迟开关等。

PTC热敏电阻器的应用十分广泛，如温度传感器、过热
　　３.静态伏—安特性　　PTC热敏电阻器的典型静态伏—安特性曲线如右图所示。从图中不难看出，曲线由AB、BC、CD三段构成。在AB段，由于所加电压较低，由功耗引起的温升电阻变化很小，称为等电阻段。BC段处于开关温度附近，由于元件的功耗可以通过自身电阻的变化调整，基本保持不变，称为等功率段。CD段因受电压效应的影响，电阻值增大速度减慢，电流变化趋于平缓。超过D点时进入负阻区，电流开始回升。若继续加大电压，电阻将因功率增大而烧毁。静态伏—安特性是确定元件最佳工作状态的主要依据。特别是把PTC热敏电阻用作过流保护、定温发热体等场合更是如此。　　三、PTC热敏电阻的应用　　PTC热敏电阻器的应用十分广泛，如温度传感器、过热

过电流保护、无触点开关、恒温恒热体等。目前已有数十种产品应用在不同场合。下面简单介绍用于温度传感器及无触点开关的几个例子。
　　１.温度补偿　　利用PTC热敏电阻可对晶体管电路、集成电路，以及其它电子电路及电子元器件进行温度补偿。下图为几种对晶体管电路进行补偿的例子。作为温度补偿的PTC元件，常选用缓变型热敏电阻，温度系数约为6%/℃左右。

　　２.温度检测及控制　　由于PTC热敏电阻的温度系数很大，在一些检测温度范围不宽、精度要求不高的场合，可直接把热敏电阻与简单的指示器（指示灯、磁电式电流表等）连接，进行温度测量与指示。这方面的实例如汽车水温测量、自动热水器、电冰箱等家用电器的温度控制等。由于不用繁杂的二次仪表，因而性能稳定可靠，成本低，深受设计者及用户的欢迎。右图为简单的温度指示电原理图。　　３.过热保护　　PTC热敏电阻用作防灾及电器过热保护的领域很多，具有简单、可靠、低成本的优点。过热保护分直接保护和间接保护两种方式。在小电流场合，可把PTC元件直接串入负载中，对被保护部件进行过热保护。对于大电流的场合，可通过继电器、晶体管电路等对被保护装置进行保护。但无论采用哪种方式，都必须把PTC元件

与被保护器件紧密安装在一起，使它们有充分的热交换。下图为用PTC热敏电阻对马达、大功率晶体管以及变压器进行过热保护的电原理图。
　　４.电流—时间特性的应用　　（１）自动消磁电路　　自动消磁电路是指自动消除彩色电视机显象管内阴罩上之剩余磁场，以保证色彩纯正的电路。消磁原理是消磁线圈与热敏

电阻串联于开机瞬间在显象管周围产生一强大的交变衰减电场，达到消磁的目的，其原理图如右图所示，图中L为消磁线圈。
　　（２）马达启动　　空调机、电冰箱、电风扇微风档等设备中的电机启动时，需要较大的启动功率，而当电机启动运转时，所需功率大幅度减小。为此这类单相电机常装有附加启动绕组。该绕组只在电机启动时工作，而当电机运转正常后自动断开。PTC热敏电阻器可充当这种自动通断的无触点开关。其原理是把PTC元件串联在启动绕组中，由于热敏电阻的冷态电阻远小于启动线圈阻抗，因此对启动电流几乎没有影响。随着热敏电阻被加热，电阻值升高，当电阻值升到远大于线圈阻抗时，启动绕组视同切断，如图所示。

图（a）为电源接通后需要一定的时间继电器才动作，动作延迟时
　　（３）延迟开关　　从热敏电阻两端施加电压开始到电阻发生阶跃变化，直至平衡需要一定的时间。利用这种特性，可以制成延迟开关。这种延迟开关在一些电器设备中具有很高的使用价值。下图为延迟开关电原理图。图（a）为电源接通后需要一定的时间继电器才动作，动作延迟时间由电阻器R0调整。图（b）为电源接通后继电器即动作，经一定时间后继电器断开。图（c）为双片PTC热敏电阻延迟开关，双片式的优点是延时精确，不受环境温度及电源电压波动的影响。

NTC热敏电阻的典型静态伏—安特性曲线，如右图所示。当热敏电阻中有电流I流过时，电阻两端的电压降UT为
　　负温度系数热敏电阻器是研究最早、生产最成熟、应用最广泛的半导瓷热敏元件之一。这类热敏电阻大都是用Mn、Co、Ni、 Fe、等过渡金属氧化物按一定比例混合，采用陶瓷工艺制备而成。按使用温区大致分为低温（-60~300 ℃ ）、中温（300~600 ℃ ）及高温（>600℃）三种类型。具有灵敏度高、热惰性小、寿命长、价格便宜等优点，因而深受使用者欢迎。　　１.静态伏—安特性曲线　　NTC热敏电阻的典型静态伏—安特性曲线，如右图所示。当热敏电阻中有电流I流过时，电阻两端的电压降UT为显然，当I很小、　可以忽略时， UT与I成线性关系对应曲线oa段（等阻段）。当I继续上升，而　上升不大时，电压仍随

NTC热敏电阻器的结构主要有珠状（a）、圆片形（b）、方片形（c）、棒状（d）、厚膜状形式（e），适用于不同的应用场合，如下图所示。
电流的增加而增加，但曲线开始出现非线性，对应曲线ab段。继续增大电流，电阻因温升而迅速下降，导致电压也迅速下降，此时对应曲线bd段。显然电压在b点取极大值。热敏电阻的常温阻值、材料B值、耗散因数等对伏—安特性有影响。此外，环境温度是影响静态伏—安特性的另一重要因素。　　２.NTC热敏电阻的结构及特点　　NTC热敏电阻器的结构主要有珠状（a）、圆片形（b）、方片形（c）、棒状（d）、厚膜状形式（e），适用于不同的应用场合，如下图所示。（1）珠状珠状热敏电阻的制作方法是：在二根铂丝间点上热敏浆料，烧成后封装在玻璃管中。这种结构的元件体积

小、响应快、精度高、高温稳定性好，适用于作200℃以上的温度测量。（２）圆片型
　　（２）圆片型　　输出功率可根据尺寸大小调整，150 ℃下稳定性好，适用于作100 ℃以下的温度补偿。采用不同阻值、不同B值的片子相互串联并联搭配共同封装在同一外壳里，可制成互换性好的高精度热敏电阻，可用于对响应时间要求不高的测量场合。　　（３）方片型　　250 ℃下有良好的稳定性。适用于200 ℃以下的测、控及温度补偿。可以直接贴在集成块或印刷板上，因而便于集成化。　　（４）棒状　　特点是可制成高阻值、低B值的电阻器，通常用于高温热敏电阻，并具有良好的稳定性。

其特点是，调阻方便，一致性好，便于集成，同时可以用作辐射测温传感器。
　　（５）厚、薄膜型　　其特点是，调阻方便，一致性好，便于集成，同时可以用作辐射测温传感器。　　负温临界（CTR）热敏电阻器　　负温临界热敏电阻，是指在某一温度附近电阻发生突变，且于几度的狭小温区内随温度的增加电阻值降低３～４个数量级的一类热敏元件。　　这类热敏电阻具有很大的负温度系数，可用作控温、报警、无触点开关等场合。阻值突变点称为临界温度点。此类半导瓷材料在该温度点发生金属—半导体相变，引起电导的极大变化。典型的CTR热敏电阻材料为V2O3,其相变点可通过添加Ge、Ni、W、Mn等元素来移动。右图为CTR热敏电阻的电阻—温度特性曲线。

第二节半导体温度传感器半导体温度传感器又分为使用半导体单晶制成的非结型温度传感器和具有PN结的半导体温度传感器二种类型。
第二节半导体温度传感器　　半导体温度传感器又分为使用半导体单晶制成的非结型温度传感器和具有PN结的半导体温度传感器二种类型。　　3-2-1　非结型半导体温度传感器　　一、工作原理　　由半导体物理可知，单晶半导体的电导率　由下式给出：式中　Q —单位电荷　　　　—电子的迁移率　　　　—空穴的迁移率　　　n —电子浓度　　　p —空穴浓度　　对于N型半导体而言，上式可简化为而

式中 ND—施主浓度； NC—导带的有效态密度； Ed—施主电离能； k —波尔兹曼常数。
　　由上两式可知，半导体的电阻率与温度之间有一定的依赖关系。利用这种关系可制成温度传感器。　　二、Si单晶温度传感器　　 Si单晶热敏电阻温度传感器有两种结构形式，一是棒型，二是扩散电阻型。目前后者已逐渐取代了前者，成为主要的结构形式。如右图所示。　　这种传感器的优点是一致性好，适于大批量生产，而且精度高、价格低。控制杂质浓度，可制成正、负温度系数的温度传感器。非结型半导体温度传感器在生物、医疗、海洋、气象等诸多领域中得到了广泛地应用。

利用半导体PN结的温度特性可制成PN结温度传感器。这类传感器又可分为二极管、晶体管和集成电路三种型式。
　　一、二极管温度传感器　　１.基本原理　　　　流过PN结的正向电流I与外加电压V之间的关系，可近似表示为式中I0—饱和反向电流密度；　　A—PN结的有效横截面积；　　q—单位电荷；　　k—波尔兹曼常数；　　T—绝对温度。　　在电平衡载流子注入的条件下，流过PN结的正向电流还可近似用下式描述：式中，L 为载流子扩散长度；ni为本征半导体载流子浓度；　为载流子寿命。使用单晶硅的情况下，载流子浓度为

由上式可知，PN结两端的电压与温度成线性关系。
式中，　　　　　　　qVG为禁带宽度　　利用上两式可求得外加电压与PN结正向电流之间的关系为一般情况下，方括号中的项与温度的关系可以忽略，此时式中　K是与PN结中通过的电流有关的系数。当电流一定时，K为常数。由上式可知，PN结两端的电压与温度成线性关系。　　２.半导体二极管温度传感器的应用　　Si单晶二极管用作温度传感器，有简单、价廉的优点，但互换性差是其最大缺点。用二极管作为温度传感器制成的半导体温度计，温度在０～50℃之间变化时，输出电压的变化范围为０～１V，因而有足够的灵敏度。

由晶体管原理可知，硅晶体管的基极—发射极电压Vbe与绝对温度T及集电极电流Ic 之间有如下关系：
　　二、晶体管温度传感器　　硅晶体管的基极和发射极之间的电压Vbe约有-2mV／℃的温度系数。利用这种现象制成高精度、超小型的温度传感器。测量范围在-50~+250 ℃左右。由于这种传感器适于批量生产，又可与放大电路一起制成集成化温度传感器，因此近年来发展很快。　　１.基本原理　　由晶体管原理可知，硅晶体管的基极—发射极电压Vbe与绝对温度T及集电极电流Ic 之间有如下关系：式中　Eg—硅单晶的禁带宽度；　—与基极偏压有关的常数； r —由基区少数载流子的温度特性决定的常数；　　　　　Q—单位电荷；　　　　　　 k —波尔兹曼常数。　　当Ic一定时，温度不太高的情况下， Vbe基本与温度成线性关系。当温度较高时，产生一定的非线性偏移，如下图所示。

３.晶体管温度传感器的应用图3-17是晶体管温度传感器用。
　　２.晶体管温度传感器及其特性　　晶体管温度传感器具有优良的长期稳定性，经1000小时的室温 ℃的温度循环试验后，性能几乎没有变化。　　３.晶体管温度传感器的应用　　　图3-17是晶体管温度传感器用。作电子体温计的原理图及输出特性在0~50度的范围内，输出电压变化为0~-1V，测温精度不劣于0.05 ℃。

　　三、集成电路（IC）温度传感器　　所谓IC温度传感器，是指把温度传感器与后续的放大器等，用集成化技术制作在同一基片上而成的集传感器与放大为一体的功能器件。这种传感器输出信号大，与温度有很好的线性关系，同时测量精度高，使用方便。IC温度传感器按输出方式可分为电压输出型与电流输出型。　　１.基本原理　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　IC温度传感器的设计原理是，利用集电极电流比为一定的两个晶体管的Vbe之差　与温度的依赖关系，来制作温度传感器。显而易见，选择二个特性相同的晶体管，使它们工作在不同的电流下，利用它们的发射极电压之差来测温，有可能获得性能优良的温度传感器。　　２.电压输出型IC温度传感器　　　　　　　　　　　　　　　　　图3-18分别是IC温度传感器的电原理图和原理框图。　经后级放大器放大后，可使传感器随温度变化的输出，产生10mV/℃的变化量。

IC设计时，取V3发射极面积为V4发射极面积的８倍，于是，电阻R上的电压输出为
图3-18 　　３.电流输出型IC温度传感器　　电流输出型IC温度传感器，如图3-19所示。　　IC设计时，取V3发射极面积为V4发射极面积的８倍，于是，电阻R上的电压输出为

图中集电极电流由VT/R决定，电路中流过的电流为流过R电流的２倍。取R＝358欧姆，则可获得灵敏度为的温度传感器。
　　电流输出型IC温度传感器的主要性能参数如下：　　（１）　灵敏度：　　　。　　（２）　测温范围：-55~+150℃。　　（３）　测量精度：±１ ℃。　　（４）　满量程非线性偏离： ±0.5 ℃。　　（５）　电源电压：4~30V。　　４.IC温度传感器的应用　　通常流过传感器的电流应限制在1mA左右，是通过调整串联电阻来决定的。测量灵敏度为-10mV/K。　　使用多个电流输出型IC传感器，串联电路时可测最低温度，并联时可测平均温度。

目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章概述二、Pd—MOSFET氢敏元件三、其它MOSFET型气敏元件
目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章概述二、Pd—MOSFET氢敏元件三、其它MOSFET型气敏元件第一节　MOSFET型气敏元件一、基本工作原理第二节后记

第四章气体传感器

概述　　随着近代工业的进步，特别是石油、化工、煤炭、汽车等工业部门的迅速发展，使人类的生活以及社会活动都发生了相应的变化。被人们所利用的和在生活、工业上排放的气体种类、数量都日益增多。这些气体中，许多都是易燃、易爆（例如氢气、煤矿瓦斯、天然气、液化石油气等）或者对于人类有毒害的（利用一氧化碳、氟里昂、氨气等）。它们如果泄露到空气中，就会污染环境、影响生态平衡、甚至发生爆炸、火灾、中毒等灾害性事故。为了保护人类赖以生存的自然环境，防止不幸事故的发生，需要对各种有害、可燃性气体在环境中存在的情况进行有效的监控。　　气体敏感元件就是能感知环境中某中气体及其浓度的一种装置或者器件。气体传感器能将气体种类及其浓度有关的信息转换成电气信号（电流或者电压）。根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息，从而可以进行检测、监控、报警；还可以通过接口电路与电子计算机或者微处理机组成自动检测、控制和报警系统。主要类型的气体敏感元件如表4-1所示。

　　随着科学技术的迅速发展，人民生活水平的不断提高，目前的气体传感器除了检测易燃、易爆气体之外，还要求在环境保护、节约能源、保健卫生等方面有所应用。表4-2列出了气体传感器的一些应用领域。

　　为了适应各种特殊的应用，八十年代以来，气体敏感元件除了表4-2所列之外，还开发研制了表面波气体敏感元件，液晶气体敏感元件、红外线吸收型气体敏感元件等新型气体敏感元件。
　　本章仅介绍MOSFET型气敏元件第一节　MOSFET型气敏元件　　金属—氧化物半导体场效应晶体管型气敏元件具有产品一致性好、体积小、重量轻、可靠性高、气体识别能力强、便于大批量生产、与半导体集成电路有较好的工艺相容性等许多优点，日益受到人们的重视，在此简单介绍如下。　　一、基本工作原理　　场效应晶体管是一种单极晶体管，它是电压控制元件，基本结构如图所示。　　当栅极（G）上没有加电压时（VGS=0），即使在源（S）

极和漏极（D）极上加上电压VDS，也因为源极和漏极是相互绝缘的因而没有电流通过，如果在栅极上加一个正电压VGS，在栅极下面的二氧化硅绝缘层中，就会形成一个电场。在此电场的作用下，P型硅衬底内的电子，被吸引到二氧化硅层下面的硅表面，形成一个有一定电子浓度的薄层。这个薄层与衬底的P型硅的导电类型相反，称为反型层，它象一条沟道，将N型源区（S）与N型漏区（D）连接起来。故又称为N型沟道。在这种情况下，如果在源和漏之间加上一个电压VDS，就会产生漏电流ID。显然，通过改变栅极电压VGS的大小，可以改变N型沟道的宽度，从而控制漏电流ID的大小。

　　增强型MOSFET的栅极电压VGS和漏极电流ID间的关系，如图4-2所示。由图可见，只有在栅极电压VGS高于临界值VT后，才会有漏电流ID在N沟道中通过。电压VT后，才会有漏电流ID在N沟道中通过。电压VT表示场效应晶体管导通的临界栅电压，称为阈值电压。阈值电压VT与MOS结构的表面状态、界面状态等关系密切，它们之间有以下关系：式中　—栅极金属的功函数；　　　　　　—半导体的功函数；　　　　　　　—形成反型层时，沟道表面与衬底（P-Si）的电势差，称为扩散电势；　　　　　　　　　　　　　　　　QSS—在Si—SiO2界面的SiO2表面电荷密度；　　　　　　　　　　　　　d —SiO2绝缘层的厚度；　　　　　　—SiO2的介电系数。

MOSFET气敏元件是1975年利用阈值电压VT对栅极材料表面吸附的气体非常敏感这一特性而发展起来的，是一种新型气敏元件。
　　如前所述，MOSFET有栅、源、漏三个极，是一种电压控制元件。在漏电压VDS一定时，改变栅电压VGS的大小来控制漏电流ID。对于增强型MOSFET，只有当VGS > Vt时，才能形成漏电流ID。利用这一特性，当栅极吸附被测气体后，栅极（金属）与半导体的功函数和表面状态发生改变，从而使阈值电压VT相应改变。这样，就可以由阈值电压变化情况来测定被测气体的性质和浓度。　　二、Pd—MOSFET氢敏元件　　开发较早的MOSFET型氢敏元件，是在普通的MOSFET器件中，将原来的铝删改为对氢有较强吸附能力的钯栅，并将沟道的宽长比（W/L）增大到50~100。这种氢敏元件，又称为钯栅场效应晶体管，其结构图如图4-3所示。

在Pd—MOSFET氢敏元件中，吸附氢后其阈值电压的变化值与环境中的氢分压之间有以下关系：
式中　　—Pd-SiO2界面吸附氢原子达到饱和时，　变化的最大值；　　　 K—氢分子离解的平衡常数。　　当Pd—MOSFET氢敏元件工作时，随着环境中氢浓度的增加，阈值电压VT下降，相应VDS也发生变化。根据VDS的变化情况，就能确定环境中氢气的浓度。　　三、其它MOSFET型气敏元件　　氨的检测在许多领域中都是非常重要的。例如在食品工业中，在制备尿素、肥料和亚硝酸等工业中，都需要对环境中的氨气含量进行检测。纯净的金属钯，对氨分解的催化活性很低，用普通的Pd—MOSFET气敏元件检测氨气，其灵敏度并不理想。如果在制作钯栅之前，先在作为绝缘层的SiO2上淀积一层d轨道未被填满的过渡金属作为衬底层（厚度约为30埃），然后再形成钯栅，就可以

使氨在钯栅表面的分解速度增大，氨的分解反应可表示为：
　　NH NH N+3H 环境中的氨吸附在Pd表面的氨吸附在Pd表面氨分解产生的氢原子，透过栅极扩散进入到下面的Pd－SiO2界面，使Pd的功函数下降。下表为不同衬底材料对Pd—MOSFET气敏元件特性的影响。

　　除氢气以外，其它气体不能扩散通过催化金属钯栅，因而一般的Pd—MOSFET器件不适宜检测非氢气体。为了检测一氧化碳气体，在钯栅上制作一些约20纳米的小孔，如图4-4所示一氧化碳通过小孔被吸附在Pd-SiO2界面上。当Pd膜较薄时，吸附在Pd上的一氧化碳产生偶极层，使金属和半导体的功函数差发生变化，从而引起阈值电压的改变。　　由于Pd-MOSFE对于氢气有较高的灵敏度，相反，对一氧化碳的灵敏度却较低。为了改善其选择性，可在带孔的Pd栅区蒸发一层厚度约20纳米的铝作为防护层。结果使器件对氢气的灵敏度大大降低，而对一氧化碳的灵敏度却降低较小。铝防护层不但对氢气，而且对甲烷和丁烷的干扰都具有抵抗能力，从而提高了一氧化碳气敏传感器的选择性。

湿度传感器湿度的重要性　　湿度，通常是指空气中水蒸气的含量。人们的日常生活和工农业生产，以及动植物的生长和生存，都与周围环境湿度有着密切的关系，在自然界中，对于人类的生存，环境的湿度与温度有着同等的重要意义。　　在人们的生活环境中，如果空气太潮湿，将使人们感到沉闷和窒息；如果空气太干燥，又会使人的口腔感到不适，甚至可能发生咽喉炎等疾病。为了给人们创造舒适的生活环境，相对湿度应控制在（50~70）%RH的范围内，所以房间的空调，要控制温度，也要控制湿度；在国防方面，枪支弹药、军用仪器、武器装备等都不能受潮，对军用仓库必须对温度和湿度进行自动检测与控制，把微湿传感器与集成电路封装在一起，监测其早期失效；在工业生产中，湿度的测控直接关系到产品的质量，精密仪器、半导体集成电路与元器件制造场所，湿度的测控就显得更为重要；此外，湿度测控在气象预报、医疗卫生、食品加工等行业都有广泛的应用。

电解质型：以氯化锂为例，它是绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子电导，随湿度升高而电阻减小。
　　要研制和生产出高性能的湿度传感器，关键在于材料和工艺。湿度传感器依据所使用的材料不同，分为电解质型、陶瓷型、高分子型和半导体型等湿度传感器。从性能的总体来看，无论那一种材料制成的传感器，都有它各自的特点，既有长处，也有短处，它们分别能满足某些方面的要求。　　电解质型：以氯化锂为例，它是绝缘基板上制作一对电极，涂上氯化锂盐胶膜。氯化锂极易潮解，并产生离子电导，随湿度升高而电阻减小。　　陶瓷型：一般以金属氧化物为原料，通过陶瓷工艺，制成一种多孔陶瓷，利用多孔陶瓷的阻值对空气中水蒸气的敏感特性而制成。　　高分子型：先在玻璃等绝缘基板上蒸发电极，通过浸渍或涂覆，使其在基板上附着一层有机高分子感湿膜，有机高分子的材料种类也很多，工作原理也各不相同。　　单晶半导体型：所用材料主要是硅单晶，利用半导体工艺制成，制成二极管湿敏器件和MOSFET湿度敏感器件等，其特点易于和半导体电路集成在一起。

湿度的表示方法及湿度发生装置湿度表示方法
　　湿度表示方法　　空气中水蒸气的量称为湿度，含有水蒸气的空气是一种混合气体。湿度表示方法很多，主要有质量百分比和体积百分比，相对湿度和绝对湿度，露点（霜点）等表示法。　　相对湿度：　　水蒸气压是指在一定的温度条件下，混合气体中存在的水蒸气分压（e），而饱和蒸气压是指在同一温度下，混合气体中所含水蒸气压的最大值（es），温度越高，饱和水蒸气压越大。在某一温度下，其水蒸气压同饱和蒸气压的百分比，称为相对湿度，其表示式为

相对湿度一般用％RH表示。在实际生活中，许多与湿度有关的现象，如水分蒸发的快慢，人体的自我感觉空气的干湿程度，都是与空气中水蒸气压和同温度下水的饱和蒸气压之间差值相关。因此，在湿度传感器中，常常使用相对湿度。　　湿度发生装置　　湿度传感器的研制和生产中，需要湿度发生装置产生标准湿度，以标定湿度传感器。首先湿度发生装置产生的湿度必须准确，否则标定的湿度传感器的性能也不准确。但是，湿度标准与其它物理量的标准相比，建立一套十分精确的标准是很困难的。　　1974年国际纯粹应用化学协会建议，以美国国家标准局的重力湿度计作为基础标准，即一级标准，除美国外，其它国家都没有。各个国家所采用的恒湿发生装置，包括变化温度、压力、流量等制成的各种恒湿发生装置及露点计和干湿球湿度计为二级标准。下面介绍双温法、双压法和饱和盐水溶液法。

采用这种方法制成的湿度发生装置，称为双温湿度发生器，其示意图如右图所示。
　一.双温法　　双温法是将气体通过具有一定温度的饱和槽，使其成为饱和气体，饱和槽的饱和水蒸气压为es，再将气体通入比饱和槽温度高的试验槽，由于温度升高，气体变成非饱和气体，试验槽中的水蒸气压为et，相对湿度为　　采用这种方法制成的湿度发生装置，称为双温湿度发生器，其示意图如右图所示。　　该方法的特点是装置简单，但难于精确控制温度，故精度低。

二.双压法　　双压法又称压缩膨胀法。将被压缩的干燥气体通入一定温度下的饱和槽内，使之变成饱和气体，饱和槽的气体压力为Ps，再将这种饱和气体膨胀到同一温度下的试验槽中，由于压缩气体的膨胀，气体变成了非饱和的气体，若试验槽内的气体压力为Pt，根据道尔顿分压定律，即在混合气体系统中，各气体组分的分压力之比，将随系统总压力的变化而成等比变化，于是该气体就有了一定的湿度，其相对湿度为采用双压法的湿度发生装置如右图所示。采用这种方法，可根据合适的温度和压力得到所需要的湿度值，但因高、低湿时气体膨胀情形不一样，所以对调整压力精度的技术要求高。

　三.饱和盐溶液法　饱和盐溶液法又称湿度固定点法。它是将饱和盐水溶液置于封闭的容器中，根据拉乌尔定律，在给定的温度下，盐溶液达到饱和时，其平衡蒸汽压也将恒定，因而使饱和盐水溶液上方的空间保持恒定湿度。该湿度与盐的种类有关，标定湿度传感器时，应同时选择几种具有一定湿度间隔的饱和盐水溶液。　在配置饱和盐水溶液时，一定要用较纯的水，如蒸馏水或去离子水，以及较纯的盐，需要保持水溶液的温度和上方的温度一致，以保证湿度的稳定型，为了加速平衡时间可搅拌　　溶液或气体。各种饱和盐水溶液的湿度固定点，一般都采用美国国家标准局（NBS）1976年所提供的数据为准，表8-1列出了NBS饱和盐水溶液平衡时的相对湿度。　　下图给出了饱和盐水溶液湿度发生装置，主要用于0℃以上的检定湿度传感器。这种湿度发生装置，结构简单，费用少，操作方便，精度较高，故饱和盐溶液法作为湿度发生装置，得到广泛的应用。但湿度是不连续的。

湿度传感器的基本特性与参数湿度传感器的分类
　　湿度传感器的基本特性与参数　　湿度传感器的分类　　湿度传感器就是能把外界湿度信号转换成电信号的器件。湿度传感器的分类方法很多，按与水分子的亲合力关系，可分为水分子亲合力型，它是利用水分子有较大的偶极矩，易于吸附并渗透入固体表面内所制成的湿度传感器，如陶瓷、高分子和电解质材料都属于这一类。另一类湿度传感器与水分子的亲合力毫无关系，因此称为与水分子亲合力无关的湿度传感器，红外线吸收湿度传感器，微波湿度传感器等。按湿度传感器测试功能可分为：

相对湿度、绝对湿度、结露和多功能传感器；按检测方式可分为：电阻、电容、变色和露点；依据湿敏材料来分，可分为：电解质、高分子、陶瓷、半导体和复合材料；按元件的结构分为：体型、厚膜型、薄膜型；按其量程可分为：低湿型（0.5%～30%RH）、中湿型（30%～70%RH）、高湿型（70%～100%RH）和全湿型（0～100%RH）；按照工作温度范围，又可分为低温、中温型（0～80℃）、高温型（80℃以上）。目前应用ZrO2-MgO陶瓷湿度传感器，可测600℃左右的环境湿度。对湿度传感器的要求　　不同的湿度测量和控制领域，对湿度传感器的性能要求各不相同，民用方面的要求主要是性能不易老化、价格低廉。工业上主要是精度高、互换性好、可靠。经常暴露于烟雾等环境中，则要求湿度传感器抗污染能力强；在高温的环境中，则要求湿度传感器在高温下可靠地工作。总之，用途不同，对湿度传感器的要求也不同。一般来说，对湿度传感器的普遍要求如下；

⑴.对水蒸气的灵敏度比较高，其它气体干扰小，有较强的选择性。 ⑵.湿滞小，重复性好、测湿可靠。 ⑶.工作温区宽，温度系数小。
　⑴.对水蒸气的灵敏度比较高，其它气体干扰小，有较强的选择性。　⑵.湿滞小，重复性好、测湿可靠。　⑶.工作温区宽，温度系数小。　⑷.响应速度快，维护方便，价格低廉。　⑸.体积小、重量轻、寿命长。　　实际上，要全面达到上述各项要求是相当困难的，这是因为湿度是极难测准的物理参数之一，大气中的水蒸气于空气本身相比，数量极其微少，而且又特别难于均匀地作用于湿敏功能材料的表面。感湿材料吸湿后，其物理过程和化学过程十分复杂，因而敏感机理至今有许多方面仍是定性说明。多种湿度传感器的设计参数只能靠实验方法去局部解决，全面满足上面的要求是很难实现的，只能按用途要求选用比较合适的湿度传感器。

　湿度传感器的主要参数　　作为湿度传感器，也同其它任何器件一样，有其自身应具有的、反应传感器本身性能的一些特性参数。通过这些特性参数，可以了解湿度传感器的性能，鉴别其质量优劣，以便在实际使用中，根据使用条件的不同选择合适的湿度传感器。下面简要介绍在通常的情况下，应当具有那些特性参数：　一. 湿度量程　　量程就是湿度传感器技术规范中所规定的感湿范围，全湿度范围用相对湿度（0～100）%RH表示，量程是湿度传感器工作性能的一相重要指标。对通用型湿度传感器，希望它的量程要宽，对用户来说，但也并非越宽越好，这里还要考虑经济效益。在低湿或者抽真空情况下用的低湿传感器，主要是要求它在低湿的情况下有足够的灵敏度，并不要求它有很宽的册湿范围，相反的情况，在高湿的情况也是如此。事实上，各种湿度传感器的量程各不相同，有窄有宽。

　二. 感湿特征量—相对湿度特性　　每种湿度传感器都有感湿特征量，诸如电阻、电容等，通常用电阻比较多。以电阻为例，在规定的工作温度范围内，湿度传感器的电阻值随环境湿度变化的关系特性曲线，简称阻湿特性。有的湿度传感器的电阻值随湿度的增大而增大，这种为正特性湿敏电阻器，例如Fe3O4湿敏电阻器。有的阻值随着湿度的增加而减小，这种为负特性湿敏电阻器，例如TiO2—SnO2陶瓷湿敏电阻器。对于这种湿敏电阻器，低湿时阻值不能太高，否则不便于和测量系统或控制仪表相连接。　三. 感湿灵敏度　　感湿灵敏度，简称灵敏度，又叫湿度系数。它的定义是在某一相对湿度范围内，相对湿度改变1%RH时，湿度传感器电参量的变化值或百分率。感湿灵敏度表征湿度传感器对湿度变化的敏感程度，若灵敏度高，湿度传感器对湿度的变化就敏感，反之，则不敏感。如果湿度传感器的特性曲线是线性的，那末在整个使用范围内，灵敏度就是相同的，如果湿度传感器的特性曲线是非线性的，那末灵敏度的大小就与其工作的相对湿度范围有关。

在环境湿度保持恒定的情况下，湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比，称为特征量温度系数。可分为电阻温度系数和电容温度系数。
各种不同的湿度传感器，对灵敏度的要求各不相同，对于低湿型或高湿型湿度传感器，它们的量程较窄，要求灵敏度很高。但对于全湿型湿度传感器，并非灵敏度越大越好，电阻值的动态范围很宽，这反而给配制二次仪表带来不便，所以灵敏度的大小要适当。　四. 温度系数　温度系数是反映湿度传感器的感湿特征量—相对湿度特性曲线随环境温度而变化的特性。感湿特征量随环境温度的变化越小，环境温度的变化所引起的相对湿度的误差就越小。温度系数分特征量温度系数和感湿温度系数。　在环境湿度保持恒定的情况下，湿度传感器特征量的相对变化量与对应的温度变化量之比，称为特征量温度系数。可分为电阻温度系数和电容温度系数。电阻温度系数（%/℃）=﹛（R2－R1）/R1ΔT﹜×100 电容温度系数（%/℃）=﹛（C2－C1）/C1ΔT﹜×100

R1（C1）—25℃时湿度传感器的电阻值（或电容值）； R2（C2）—另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值（或电容值）。
式中ΔT—环境温度与25℃之差； R1（C1）—25℃时湿度传感器的电阻值（或电容值）； R2（C2）—另一规定环境温度时湿度传感器的电阻值（或电容值）。　五. 感湿温度系数　　感湿温度系数是反映湿度传感器温度特性的另一个比较直观、实用的物理量。它表示在两个规定的温度下，湿度传感器的电阻值（或电容值）达到相等时，其对应的相对湿度之差与两个规定的温度变化量之比，称为感湿温度系数，或者说，环境温度每变化1℃时，所引起的湿度传感器的湿度误差。感湿温度系数（%RH/℃）=（H2－H1）/ΔT 式中ΔT—环境温度与25℃之差；　 H1—25℃时湿度传感器的某一电阻值（或电容值）对应的相对湿度值；　H2—另一规定的环境温度下，湿度传感器的另一电阻值（或电容值）的相对湿度。

　六. 响应时间　　响应时间也称为时间常数，它是反映湿度传感器对于相对湿度发生变化时，其反映速度的快慢。其定义是：在一定的温度下，当相对湿度发生跃变时，湿度传感器的电参数达到稳态变化量的规定比例所需要的时间。一般是以相应与起始和终止这一相对湿度变化区间的63%的相对湿度变化所需时间。叫响应时间，单位是s，也有规定从始到终90%的相对湿度变化作为响应时间的。响应时间又分为吸湿响应时间和脱湿响应时间。大多数湿度传感器都是脱湿响应时间大于吸湿响应时间，一般以脱湿响应时间作为湿度传感器的响应时间。各种湿度传感器的响应时间各不相同，这和感湿体的薄厚、水分子被吸附的方式，以及周围空气流动的速率有关，其规律为：体型湿度传感器的响应时间慢，薄型和表面型湿度传感器的快，物理吸附型相应快，化学吸附型相应慢，空气流动时相应快，静止时慢。对响应时间的要求是越快越好，响应时间快的湿度传感器可以短到1s，有的长达十多分钟，不同的使用场合，对响应时间的要求也各不相同。

　七. 湿滞回线和湿滞量　　湿度传感器在作升湿和降湿往返变化时的吸湿、脱湿特性曲线不重合，所构成的回线叫湿滞回线，如下图所示。由图中可知在同一电参量下，升湿和降湿曲线不重合，其最大的不重合度称为湿滞量，即图中所示的ab，单位为%RH。在长期的研究中发现，湿滞量的大小与水分子吸附的方式和响应时间有关，即化学吸附湿滞量大，物理吸附湿滞量小，响应时间短的湿滞量小，而响应时间长的湿滞量大，从这些现象中，我们不难分析出造成湿滞的原因。由于湿滞的存在，给湿度的测量带来了误差，所以应当尽量减小湿滞量，有的湿滞量极小，几乎可以忽略，有的湿滞量高达（5～7）%RH。

　八. 电压特性　当用湿度传感器测量湿度时，所加的测试电压，不能用直流电压，这是由于加直流电压引起感湿体内水分子的电解，致使电导率随时间的增加而下降，故测试电压采用交流电。　　右图表示湿度传感器的电阻与外加交流电压的关系，从图中可知，测试电压小于5V时，电压对阻—湿特性没有影响。但交流电压大于15V时，由于产生焦耳热的缘故，对湿度传感器的阻—湿特性产生了较大的影响，因而一般湿度传感器的使用电压都小于10V。

　九. 频率特性　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　湿度传感器的阻值与外加测试电压频率的关系，如下图所示。由图中可知，在高湿时，频率对阻值的影响小，但低湿高频时，随着频率的增加，阻值下降。对这种湿度传感器，在各种湿度下，当测试频率小于103Hz时，阻值不随使用频率而变化，故该湿度传感器使用频率的上限为 103Hz，湿度传感器的使用频率上限由实验确定。直流电压会引起水分子的电解，因此测试电压频率也不能太低。　十. 其它的特性与参数　　　　　　　　精度也是湿度传感器的一个重要参数，它表示湿度传感器测量湿度的精确程度，一般用（%RH）表示，不同的湿度传感器，测量的精度不同，如氯化锂湿度传感器的精度为±3%RH，陶瓷湿度传感器的精度可达±2%RH。工作温度范围是表示湿度传感器能连续工作的环境温度范围，它应由极限温度来确定，即由在额定功率条件下，能够连续工作的最高环境温度和最低环境温度所决定。

工作温度的上限与耐热温度不同，耐热温度是表示湿度传感器在非工作状态下，能经受的最高温度。　　　　　　　　　　　　　　　　稳定性，是指湿度传感器在各种使用环境中，能保持原有性能的能力，一般用相对湿度的年变化率表示，即±%RH/年，高稳定性的湿度传感器年变化率仅为±2%RH/年。　　　　　　　　　　　　　寿命，是指湿度传感器能够保持原来的精度，能够连续工作的最长时间。各种湿度传感器的寿命差异很大，有的仅有几个月，有的可达几年。期待能制造长寿命的湿度传感器，寿命最好在5年以上。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　此外还有老化特性和分辨率等特性与参数，由于篇幅的限制，这里不再介绍。半导体结型及MOS型湿度传感器　　用陶瓷、LiCl电解质和聚合物材料，已经研制出多种湿度传感器，并已投放市场。但因其为体型结构，湿度传感器和处理电路不能都集成在同一硅衬底上，所以这类传感器不宜作为智能传感器。

用半导体工艺制成的硅结型和和硅MOS型湿敏器件，虽然不很成熟，但由于是全硅固态湿度传感器，有利于传感器的集成化和微型化，因此是一种很有前途和研究价值的湿度传感器。
　　SnO2湿敏二极管（如右图所示）是采用电阻率为5Ω·㎝的N型硅单晶材料制作。硅片尺寸为2×2㎜2，厚约200μm，硅片在氧化前，应将自然氧化层去除。然后放入石英管道炉中，衬底加热到520℃左右，通过氧气和水气，待硅片氧化5min后，即可获得厚度为10nm的SiO2层。当生成SiO2层之后，通入携带着二甲基二氯化锡蒸汽的惰性气体与通入的氧气相遇，产生热解和氧化反应如下：

在SiO2层上淀积了一层SnO2，淀积过程所需时间各不相同，膜的厚度在0
　　在SiO2层上淀积了一层SnO2，淀积过程所需时间各不相同，膜的厚度在0.6μm左右，膜太薄其导电性差。SnO2具有良好的导电性，其电导率还可以通过在二甲基二氯化锡中掺入少量的SbCl3而得到进一步提高，这类同于半导体中的N性掺杂。　　在完成SnO2的淀积后，用真空镀膜的方法，在硅片的背面和SnO2层上制作金属铝电极，为了使SnO2层的表面能够充分裸露在大气中，以便和空气中的水蒸汽直接接触，SnO2层上的电极不宜过大，可用化学刻蚀的方法去除多余的铝膜。　　　　　　　　　　　　　　　　SnO2湿敏二极管的反向击穿电压与SiO2层的厚度有关。较为理想的SiO2层的厚度在100埃左右，最大不超过500埃。当SnO2湿敏二极管处于反向偏压状态，加恒定反向偏置电压和负载，使二极管处在雪崩区附近，其反向电流的大小与环境湿度直接相关，因此SnO2二极管具有感湿特性，感湿的特征量是反向电流，反向电流与湿度的关系如右图所示。

　　湿敏MOS场效应管不难设想，在MOS场效应管的栅极上，如果涂覆一层感湿薄膜，而在感湿薄膜上增设另一电极时，就可构成一种新型的MOS场效应管湿敏器件，及MOSFET湿敏器件。　　　　　　　　　　　　　　　　聚合物工艺适合于集成电路。目前聚合物湿敏器件已成功地制作在硅衬底上，并同其它的敏感器件和处理电路集成在同一基片上。聚合物湿敏材料具有机械强度高、耐高湿等特性。而器件的灵敏度和响应时间，都依赖于包括电极在内的湿敏器件的感湿材料和几何形状。根据以往人们的制造经验得出：体电容比表面电容更适合于做湿敏器件。

Cs—取决于环境的相对湿度和其它适当的常数。
　采用标准的IC工艺，把湿敏器件和温敏器件都集成在同一衬底上，在下电极和上电极之间沉淀1nm厚的醋酸纤维素作为湿度敏感膜。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　上图左图给出了这种湿敏器件的等效电路图。施加一个直流电压Vo和一个交流电压Uo于上栅电极，上栅极和下栅用一个足够大的电阻RB连接起来。这表明，输出电压V出与膜的电容Cs有如下关系： V出=UoRLgm/（1+Ci/Cs）式中 RL—与漏极相连接的负载；　　　gm—FET的跨导；　　　Ci—绝缘层的电容；　　　Cs—取决于环境的相对湿度和其它适当的常数。　　输出电压V出几乎同相对湿度呈线性关系，如上图右图所示。实验表明，这种湿度敏感器件具有良好的精度（湿滞小于3%RH），同时响应时间小于30s。在高湿（90～95%RH）或结露情况下，也获得了长期稳定性。目前国内在结型和MOSFET湿敏器件的研究工作开展的比较少，国外已经实用化的湿敏器件也不多，但这类湿度传感器是很有发展潜力的。

后记　　气体传感器是属于化学传感器的范畴。化学传感器，是指能将各种化学物质的浓度转换为电信号的器件。典型的化学传感器除了气体传感器外，还包括湿敏传感器、离子敏传感器、生物传感器和固体电解质传感器等。　　化学传感器的机理比较复杂，对它的了解还不很透彻，工艺也不太成熟。因此，目前化学传感器的应用远不及物理量传感器普及。然而，化学传感器在人类环境保护、以及国民经济各领域中的应用，已越来越显示出其重要性。　　离子敏感器件是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管，简称ISFET。它既具有离子选择电极（ISE）敏感离子的特性，又具有场效应晶体管的特性，是离子选择电极制造技术与固态微电子技术相结合的产物。ISFET是化学传感器中的一种，用于测量溶液中的离子活度。该器件在环境保护和国民经济中的各个领域都得到了广泛的应用。

目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章一、概述四、红外固态成象传感器二、CCD的基本结构五、微光成象传感器
目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章一、概　述四、红外固态成象传感器二、CCD的基本结构五、微光成象传感器三、CCD成象传感器补充资料

第五章固态成象传感器

一、概　　述　　与光敏二极管、光敏三极管等“点”光源的光敏元件相比，成象传感器是将其受光面上的光象，分成许多小单元，并将其转换成可用的电信号的一种功能器件。现在广泛应用的光导摄象管就是一种成象传感器。　　本章所讨论的“固态成象传感器”是指把布设在半导体基体上的许多感光小单元的光－电信号，用所控制的时钟脉冲读取出来的一类功能器件。如电荷耦合器件（CCD）。其中许多感光小单元简称“象素”，它们本身在空间、电气上是彼此独立的。这许多感光小单元感受的光包括可见光、红外光、微光等。　　图5-1是光导摄象管与固态摄象器件的基本原理比较。其中（a）所示为光导摄象管，当入射光象信号照射到摄象管中间电极表面，其上将产生与各点照射光量成比例的电压分布，若用电子束扫描中间电极，负载RL上便会产生变化的放电电流。由于光量不同而使负载电流发生变化，这恰是所需要的输出信号。所用电子束

的偏转和集束，是由磁场或电场控制实现的。
　　（b）所示为固态摄象器件的输出信号的产生，不需加外加扫描电子束，它可以直接由自扫描半导体基体上诸象素而获得。这样的输出信号与其对应的象素位置对应，无疑是十分准确的，因而再生图象失真度极小。而光导管等成象传感器，由于扫描电子束偏转畸变或聚焦变化致使再生图象失真却往往很难避免。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　失真度极小的摄象器件，非常适合于测试技术和图象识别。它还有体积小、集成度高、功耗低、耐冲击和抗电磁干扰能

力强等许多优点。所以自1970年CCD问世以来，很快在航空、航天、航海、通信、雷达、医学、气象、电视、商业以及军事等部门得到了应用。在成象、信号处理和存储信息等各种应用中，作为成象传感器是人们企望最高，也是收获最大的一个领域，人们认为它是自发展MOS技术以来，半导体技术的最大突破。　　　　　　　　　　　固态摄象器件主要有五种类型：电荷耦合器件（CCD）、电荷注入器件（CID）、金属－氧化物－半导体MOS型、电荷引发器件（CPD）和叠层摄象器件。其中以CCD应用最为广泛，所以本章主要介绍这类固态摄象器件和以这类器件为核心构成的成象传感器。二、CCD的基本结构　　１.结构　　图5-2示出了一CCD的简图，它是在P型硅（或N型硅）基体上，先生长一层SiO2绝缘层，厚度约０.１微米；再在绝缘层上淀积一系列间隙很小（小于０.３微米）的金属（铝）电极（称栅极）制成的；每个金属电极和它下面的绝缘层及半导体硅基体形成一个

保证形成空间电荷区的相对时序。设在某时刻t1第一相处于高电位，而处于低电压如（b）所示。则在电极下形成较深的势阱。若此时有光线入射到
MOS电容器，所以CCD基本上是由一系列MOS电容器组成的阵列。因为它们靠的很近，所以它们之间可以发生耦合；这样，被注入的电荷就可以有控制地从一个电容移位到另一个电容，这样的转移过程，实际上是电荷耦合的过程；故称这类器件为电荷耦合器件。　　２.CCD的基本工作原理　　　通常的CCD摄象器件，有二相、三相、四相等几种时钟脉冲驱动的结构型式，其中最直接明了的是由三相时钟脉冲驱动的CCD器件，如图5-3所示。在三相结构的CCD中，三个电极组成一个单元，形成一个象素。三个不同的脉冲驱动电压，按图示的时序提供，以保证形成空间电荷区的相对时序。　　　　　　　　　　　　　　　设在某时刻t1第一相　处于高电位，而　　处于低电压如（b）所示。则在　电极下形成较深的势阱。若此时有光线入射到

为了读出存放在CCD中的电图象，在顺序排列的电极上施加交替升降的
硅片上时，在光子的激发下硅片上就会产生电子－空穴对，其中的空穴被排斥到硅基体，而光生电子将被势阱所收集。势阱所收集的光生电子数量和入射到势阱附近的光强成正比。而把一个势阱所吸收的若干个光生电荷叫一个电荷包。通常的CCD器件上，制有众多个相互独立的MOS单元，在栅压作用下，在硅片上就会形成众多个相互独立的势阱。此时，如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的景物，那么这些光敏元就会感生出一幅与光照强度相应的光生电荷图象，亦即一幅光图象就转变成一幅电图象。这就是CCD摄象器件的光电转换效应。　　为了读出存放在CCD中的电图象，在顺序排列的电极上施加交替升降的

在CCD末端连接一个反向二极管，用以限制暗电流，输出信号经二极管后再进行放大，便可得到有用的图象信号。
三相时钟脉冲驱动电压，在t = t2时，电压下降，跳变到最大（b）电荷包便从电压为的各电极下向电压为的各电极下形成的新势阱转移。到t3 时刻，全部电荷包已转移完毕。从t = t4开始，下降，跳变到最大，于是电荷包又从电极下转移到电极下。当第二个重复周期开始时，重复上述转移过程，而每个周期T都完成一个象素的转移。这样，交替升降的三相驱动时钟脉冲便可以完成电荷包（电图象）的定向转移。而在CCD末端就能依次接受到原先存储在各个电极下的电荷包。这就是电荷转移的物理效应。　　在CCD末端连接一个反向二极管，用以限制暗电流，输出信号经二极管后再进行放大，便可得到有用的图象信号。　　由上述可知，CCD摄向器件是集光电转换、电荷存储和转移（象是一个动态移位寄存器）为一体的功能器件。然而在转移期间，光仍可照射光敏区，使电荷包偏离原照射值，导致图象模糊。为此，把光电转换和电荷转移在时间上分割开，以较长时间（例如20 ~ 30ms）进行感光、积累电荷，以较短时间（例如百微秒级）将电荷包转移到读出移位寄存器部分，并用铝之类金属遮光，使转移过程不照光。这样，就能防止在转移中因感光而引起的图象模糊。

三、CCD成象传感器　　CCD成象传感器分为线列和面列两大类。摄取线图象的称为线列CCD，用LCCD表示。用于摄取面图象的称为面阵CCD，用SCCD表示。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１.线列CCD成象传感器　　　　　　　　　　　　　　　　　　　图5-4所示为单通道LCCD象传感器简图，它由CCD驱动电路、信号处理电路（图中未画出）和放大器等组成。其中CCD的光电转换（光敏区）和CCD的电图象转移（移位寄存器）分开为独立的两部分。移位寄存器部分由不透光的铝层覆盖，以实现光屏蔽。这就可以

避免在转移过程中由于感光而引起的图象不清。
　　在光电转移部分完成电荷积累（一般约25ms）以后，接通转移栅（也叫传递门），使积累的电荷图象被转移到CCD的读出移位寄存器，然后，当光电转换部分再次开始积累电荷时，三相时钟脉冲驱动使电图象移到输出端，经信号处理和放大，输出可用信号。这一时间过程大约需2~3ms。　　单通道的转移次数多，电荷包转移效率低，为了降低电荷包在转移时造成的损失，应尽可能减少转移次数，因而提出双通道型。这样，在相同光敏单元数情况下，双边转移次数为单边的一半，故总的转移效率比单边的高。图5-5所示为一种双通道LCCD象传感器原理图。

CCD移位寄存器并排在光敏区的两侧，并给以遮光。在电荷积累结束后，传递门交替地把各电极下积累的电荷分别迅速地转到A和B读出移位寄存器中，然后，再由三相时钟脉冲驱动，交替地将电图象移至输出端，经信号处理和放大输出。　　图5-6为1024个单元的双通道型线列CCD象传感器实例的框图，它含有CCD驱动电路、1024个象传感器单元的信号预处理电路。CCD驱动电路由

脉冲发生器和CCD驱动器组成。因此，它可用脉冲信号（、和SH）驱动。信号预处理电路由箝位电路、采样/保持电路和放大器所组成。图5-7所示为该传感器端头连接图。图5-8为脉冲驱动时序及输出信号。
　　图中符号列于表5-1中。

行转移（a）由行选址电路、光敏区、读出寄存器组成。这种
　　２.面阵CCD成象传感器　　　　　　　　　　　　　　　　　　　面阵成象传感器用于检测二维的平面图象，它有多种类型。常见的结构形式有行转移（LT）、帧转移（FT）和行间转移（ILT）方式。如图5-9所示　　行转移（a）由行选址电路、光敏区、读出寄存器组成。这种

方式的选行时钟驱动电路较复杂，且在电荷转移过程中，光积分还在进行。故很难防止图象模糊。因而它不实用。
　　帧转移（b）方式由光敏区、存储区、读出寄存器组成。在光敏区光积分结束后，先将电荷包从光敏区快速转移到存储区，存储区表面有不透光的覆盖层。然后再从存储区一行一行地将电荷包通过读出寄存器转移到输出端。在读出期间，下一次光照又进行光积分，依次类推。这种方式的图象模糊程度比行转移有所改善，时钟电路比较简单。　　行间转移（c）方式的光敏元彼此分开，各光敏元的电荷包通过转移栅转移到不照光的垂直方向的转移寄存器中，然后，再依次从各行的转移寄存器传送到读出寄存器至输出端输出。这种方式具有良好的图象抗混淆性能，图象模糊程度小，但不照光的转移区位于光敏区中间，光的收集效率低；并且，这种结构不适宜光从背面照射。　　图5-10为FT方式的一种成象传感器实例。它由光敏区（成象区）、输入、输出寄存器和存储区组成。存储区都是光

图5-10顶部设置有由输入二极管和输入栅组成的偏置电荷电路，是用于直接注入电荷信号，以提高转移效率。
屏蔽的，光敏区经过光积分，将积累电荷包快速转移到寄存区。在光敏区开始重新积累电荷时，存储区的电图象便逐列地传送到移位寄存器，由此再经输出栅和输出二极管送到放大器，最后完成电图象的输出。　　图5-10顶部设置有由输入二极管和输入栅组成的偏置电荷电路，是用于直接注入电荷信号，以提高转移效率。　　四、红外固态成象传感器　　１.引言　　上述的Si-CCD成象传感器的波长敏感区通常在0.4 ~ 1.1微米范围内由于遥感技术特别是军事方面的需要对红外区固态面阵成象传感器的研制工作活跃起来也陆续研究成功。但是不能将Si-CCD原封不动地作为红外

（１）灵敏度高，可供探测距离大于威胁距离，从而提高了系统的监视能力和安全性；
摄象器件应用，因为在红外区，这种器件对光不敏感。对红外区波长敏感的材料有掺Au、参Hg的Ge等非本征型半导体和本征型窄禁带半导体，如InAs(1~3微米)、InSb(3~5.5微米)、HgCdTe(8~14微米)和PbSnTe(8~14微米)等。为了提高象传感器的信噪比和灵敏度，必须保持这些材料在要求的低温条件下工作。　　IR-CCD器件主要优点有：　　（１）灵敏度高，可供探测距离大于威胁距离，从而提高了系统的监视能力和安全性；　　（２）可自动跟踪移动目标；　　（３）识别伪装目标的能力强；　　（４）全被动式工作，生存能力强。　　所谓被动式，即无需发射信号就能探测目标，监视环境。而探空雷达，则靠发射电磁波工作，故称主动式。这种主动式工作自然存在着易受干扰的致命弱点。（实际上不仅仅是干扰的问题，而且易受攻击，美国的反辐射导弹“哈姆”就是专门用来对付雷达的。）

目前，按光电转换与信号处理功能完成的形式，IR-CCD的设计方案分为混合式和单片集成式两类。
　　２.混合式IR-CCD传感器　　混合式红外传感器的红外光敏部分和信号电荷转移部分分开，红外光敏部分由窄禁带半导体（如InSb、HgCdTe、PbSnTe等）红外材料制成，并在冷却状态下完成光电转换功能。而信号转移部分通常由Si-CCD组成，且在常温下完成信号处理输出。两种芯片在冷指端上互连。典型的有InSb+Si-CCD，HgCdTe+Si-CCD混合式红外传感器。如图5-11所示为这类传感器的基本结构示意图。采用混合式，存在着光敏部分与转移部分之间的连接困难。为了获得足够高的红外光象分辨率，必须用数百个象素构成面阵传感器。显然，象素的

数量越多，红外光敏部分与硅CCD之间的连接技术难度越大。
　　还有，如何把红外传感器收集的信号有效的传递到硅CCD的势阱中，通常有两种耦合模式。一种是把红外传感器发出的电荷直接注入硅CCD势阱中，叫直接注入型；另一种是，红外辐射不直接变换为信号电荷，而是用来控制注入硅CCD读出沟道的电荷量，它的电势由照度控制，这样注入CCD的电荷两便和照度值成一定的比例关系，这叫间接注入型。　　３.单片集成式IR-CCD传感器　　这是一种把红外光敏部分和CCD转移部分集成在一块芯片上的红外CCD象传感器，通常有以下四种。　　（１）掺杂硅型（非本征焦平面阵列）　　它是利用离子注入技术，在硅片的光敏面内适当掺杂，例如磷、镓或铟。当温度足够低时，这些杂质处于未电离状态。当其受到红外照射时发生电离，电离产生的载流子和红外辐射强度有关。　　该方法能够利用优质的硅材料和成熟的大规模集成电路技术。

可探测的红外波长为3 ~ 5微米及8 ~ 13微米（由掺杂的电离能数值决定）。但必须在很低的温度下工作，且量子效率较低。
　　（２）窄禁带半导体型（本征焦平面阵列）　　窄禁带半导体种类很多，它们的吸收限（线）在红外光谱范围内。把红外光敏阵列和CCD多路传输集成在一块窄禁带半导体基体上，便构成了窄禁带半导体红外象传感器。　　常用于制造这类象传感器的窄禁带半导体材料有InAs、InSb、HgCdTe和PbSnTe等。　　窄禁带引起的主要问题是暗电流大，因此器件必须工作在低温环境，以便获得足够的灵敏度和积分时间，但它对低温的要求没有掺杂硅类那么严。由于基体的材料是本征的，光吸收一般比较强，故可得到较高的量子效率和探测能力。　　（３）硅肖特基势垒型　　这种类型是利用硅上面直接淀积金属制成肖特基势垒。对肖特基势垒加反向偏压，使硅表面进入耗尽状态。然后去掉偏压

当红外辐射作用于金属电极表面时，被金属吸收并产生“热”电子。其中能量超过金属－硅势垒高度的，便注入硅表面，中和耗尽层内的电离化施主。这个过程使耗尽层缩小并使肖特基势垒降低，降低的量正比于光信号强度。在帧周期结束时，单元恢复到起始耗尽电平，这个复位电流便提供了图象的视频信号，通过CCD读出。　　硅肖特基势垒红外象传感器，可利用成熟的大规模和超大规模集成电路工艺制造，故成本低。与混合式红外象传感器比，它的均匀性好。由于它工作在多数载流子从硅化物注入硅基体的情况，故不会造成相邻光敏单元间的串扰，且有自生的抗光晕能力。它目前发展很快。　　（４）异质结CCD型　　为了降低暗电流，除低温条件外，应选用宽禁带材料，但是为了得到宽带响应，又该采用窄禁带材料。为解决这一矛盾，可利用异质结结构。通常CCD电荷转移沟道层采用宽禁带材料，而光吸收区则采用窄禁带材料；前者有利于抑制暗电流，后者满足谱响应的要求。

微光（低照度）象传感器主要用于在夜空微弱光照下探测景物的夜视器件，这种夜视器件对军事应用具有吸引力。
　　综上所述，由于单片集成式封装密度高，可靠性好，便于大规模集成，最终将成为发展的主导方向。单目前还有若干工艺和技术问题尚待很好地解决，在这种情况下，混合式更多地被用于制作优良的红外CCD像传感器。此外，也正在研究高温条件下工作的红外传感器。　　五、微光CCD象传感器　　微光（低照度）象传感器主要用于在夜空微弱光照下探测景物的夜视器件，这种夜视器件对军事应用具有吸引力。　　由于夜空的月光和星光辐射主要是可见光和近红外光，其波段正好在硅CCD的响应范围之内，所以硅CCD在室温下可摄取月光下的景物，低温下可摄取星光下的景物。表5-2给出了几种微弱光下景物照度的近似参考数据。　　利用象增强器和CCD耦合起来，可得到光电灵敏度很高的微光CCD象传感器，在非冷却条件下便可在低照度下摄取景物光象。图5-12示出了这种CCD象增强器结构，它是一种真空管式的摄象管，

光敏面使用在光纤端面上带有光电阴极的结构，在另一端封装有背面照光式的CCD，中间配置静电聚焦用的电极；把入射光在光纤光电阴极面上成象，再从光电阴极上发射光电子，并用数千伏的电压加速它，使增强了的光电子束象再次在CCD的背面上聚焦。利用这种方法，灵敏度可提高几千倍。这类微光摄象器件已发展到相当高的水平。　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　还有用不同的技术制作微光CCD的，如利用时间－延迟－积分（TDI）模式。这是利用增加象素的数目来增加积累电荷数的方法以提高象传感器对微光的灵敏度。所制成的TDI-CCD微光传感器，也有很好的微光性能，已实用于微光成象系统。

补充资料红外成象技术发展的关键——焦平面阵列（摘自《现代兵器》1993.8）章雅平
章　雅　平　　红外焦平面阵列是新型红外热成象仪的核心器件，是目前正在蓬勃发展的一个高技术领域。随着夜战和被动探测的需求迅猛增加，红外热成象探测器市场年增长率一直保持在30%。红外焦平面阵列的发展将对战略战术预警

目标探测、监视、跟踪、导航、观瞄、侦查、武器制导等军用技术的发展起着举足轻重的作用。在美国军事计划中的地位
　　在美国军事计划中的地位　　美国国防部在1990 ~ 1993财年中，每年制定的“美国国防关键技术”计划中都把先进热象仪／红外焦平面阵列列为关键技术项目。美国的一些重要军事计划也无一不把红外热成象技术列为重点或优先发展的技术，如原“战略防御倡议”计划、“平衡技术倡议”计划、“空中防御倡议”计划、陆军“轻型直升机实验”计划等。　　美国军事需求　　在今后10年或更长的时期内，美国大约有140多种武器系统需要各种性能的红外焦平面阵列探测器。1993财年的“美国国防部关键技术”计划中指出：三军需要的焦平面阵列是：高性能扫描阵列、高性能凝视阵列、非致冷的凝视阵列。扫描阵列适用于舰载红外搜索与跟踪系统、机载红外搜索与跟踪系统和前视红外系统以及导航系统。凝视阵列适用于导弹导引头、导弹预警和空中监视系统。非致冷凝视阵列将广泛用于武器瞄准具、导弹导引头和驾驶员

观瞄仪。这些焦平面阵列应达到：可生产性（成品率超过40%）；高均匀度和灵敏度；多波段；成本是现在的1/100；能在常温下工作；适于灵巧炸弹使用和具有与高清晰电视同样的分辨率。
　　美国1995 ~ 2005年发展进度　　根据1993财年“美国国防关键技术”计划，预计美国在1995年将验证中波和长波红外探测器阵列大规模生产的可行性；演示多功能红外成象导引头；交付单片中波红外碲镉汞焦平面阵列（25.4厘米×25.4厘米）。到2000年，美国将演示多色凝视焦平面阵列；实现小型、低成本的探测器/杜瓦瓶的一体化组装；实现非致冷热象仪；交付具有芯片处理能力的适于灵巧弹使用的焦平面阵列。到2005年，实现采用常规致冷的长波红外焦平面阵列；实现备选探测器材料/结构（量子阱、超晶格、超导）的应用。　　面向应用开展研究　　在战略应用方面，美国的原“战略防御倡议”计划拟采用星载的天基先进长波红外探测器、机载红外光学辅助系统和陆基监视系统等多种红外预警系统对洲际导弹进行探测和跟踪。为此，

该计划曾把发展　　　　单元高灵敏度和高密度凝视红外焦平面阵列作为重点，并且使其具有高速信号处理能力（　比特／秒）、高空间分辨率、高目标识别能力、多目标跟踪能力和远距离探测能力。另外，美国弹道导弹防御局（前战略防御计划局）正在筹建２条实验性生产线，制造可在超长波红外波段工作的非本征硅探测器阵列。美国政府也出资开展了“加固导引头红外焦平面阵列的制造和试验”计划的工作，研制能广泛用于原“战略防御倡议”计划的核加固长波焦平面阵列。此外。各军种都有自己的重点研究项目。　　陆军　红外焦平面阵列技术在陆军装备中主要用于夜视仪、光电探测器和导弹导引头等方面。陆军研究重点是红外跟踪夜视和前视红外系统的生产工艺及灵巧弹药导引头和光电探测器的制造技术。美国陆军夜视和光电仪器中心的“艾丽凯特”计划研制了940×4单元扫描阵列，并正在研究和开发512×512单元阵列以及更大的阵列。　　海军　重点发展3 ~ 5微米和8 ~ 14微米波段的红外焦平面阵列技术。在1990 ~ 2000年期间，高性能红外焦平面阵列主要用于：机载高分辨率海洋监视前视红外仪、舰载红外搜索与跟踪系统

导弹导引头、机载弹道威胁预警系统、水下潜望热象仪、反舰和对地攻击巡航导弹。
　　空军　已开展一项面向战略应用的“红外焦平面制造技术”计划，它包括两项中波红外碲镉汞探测器阵列子计划，目的是验证每年200万象素的生产能力以及使阵列制造成本降低到1/10的可行性。该两项计划经费为2900万美圆，已于1991年4月完成。　　美国国家标准与技术研究所为支持国防部红外焦平面阵列的标定工作，已研制出用于国防部红外焦平面阵列标定任务的低背景红外标定装置。　　其它国家的发展概况　　西欧　在热成象红外焦平面阵列技术的研究与发展方面，英国、法国、德国、意大利、荷兰、瑞典等国投入了大量的人力物力。在西欧的“尤里卡”计划中，与探测器技术有关的项目就有8项。德国还将军用探测器列为优先发展项目。目前，西欧各国正采用红外焦平面阵列开发机载红外搜索与跟踪系统和第三代反坦克导弹的红外制导系统。法国正在准备为西欧“崔格特”反坦克导弹制造

10万个红外焦平面阵列。80年代中期以后，西欧各国已相继研制成功系列化通用组件热成象产品，供不同军兵种使用和提供出口。
　　日本　已将红外焦平面阵列技术的研究与发展列入国家重点发展计划。尽管其在军用技术的发展方面缺乏经验，但在第二代热象仪和先进光电探测器方面已显露出其优势。　　俄罗斯　该国拥有发展高密度红外焦平面阵列的研究基础，目前主要是研制采用碲镉汞、锑化铟、硅化铂和热释电材料的第二代矩阵阵列和改进锑化铟阵列，并已生产出第一代红外焦平面阵列系统。在3 ~ 5微米波长的锑化铟线阵方面的技术已经成熟。　　今后发展趋势　　转移研究重点　为了满足军用技术的需要，国外已把研究重点从第一代扫描热成象技术转向第二代凝视焦平面阵列热成象技术。　　发展CCD焦平面阵列　红外CCD（电荷耦合器件）焦平面阵列是在硅CCD技术和红外探测器技术的基础上发展起来的一种很有前途的器件。它克服了多元红外探测器致冷、封装等技术难点

避免了传统光机扫描成象系统所带来的体积、重量、功耗、价格等问题，而且它还具有高灵敏度、高分辨率、宽带宽、不受电磁干扰等优点，是实现新一代高性能凝视热象仪、红外导引头以及空间传感器的关键。目前，从发展红外CCD焦平面阵列的类型来看，光伏型红外探测器阵列与硅CCD多路传输直接耦合的混合式焦平面阵列一直保持着良好的发展趋势。从采用的探测器材料来看，碲镉汞、硅化铂和锑化铟焦平面阵列是重点开发的产品。今后红外CCD焦平面阵列的发展方向是：缩小阵列单元尺寸，提高集成度，提高信号处理能力。　　降低成本　虽然国外已研制出一些不同类型（材料）和各种规格（单元数）的红外焦平面阵列，但都尚未批量生产，固成本很高，无法广泛用于军用系统。为此，美国国防部于1989年开始执行一项旨在大幅度降低成本的“红外焦平面阵列”计划。该计划由国防高级研究计划局负责，其目标是将每一象素的成本降低到0.1美圆，相当于把一个锑化铟阵列的价格从5万美圆降低到500美圆。西欧和日本也正在执行降低红外焦平面阵列研制成本的计划。

目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章 6.1.1 霍尔效应６.1.2 霍尔系数及灵敏度 6.1.3 霍尔元件的基本电路
目录第一章第二章第三章第四章第五章第六章霍尔效应６.1.2　霍尔系数及灵敏度 6.1.3　霍尔元件的基本电路转至第七章

第六章霍尔式传感器

６.１霍尔元件的工作原理霍饵式传感器是一种利用霍尔效应进行工作的传感器。根据霍尔效应制成的元件叫做霍尔元件。６.１.１霍尔效应
　　霍饵式传感器是一种利用霍尔效应进行工作的传感器。根据霍尔效应制成的元件叫做霍尔元件。６.１　霍尔元件的工作原理　　６.１.１　霍尔效应　　如图６－１所示　在一个N型半导体薄片（霍尔元件）相对两侧面通过控制电流I，在薄片垂直方向加以磁场B，则在半导体另两侧面会产生一个大小与控制电流I和磁场B乘积成正比的电势UH。即 (6-1)

这一现象叫做霍尔效应，产生的电势UH叫做霍尔电势，KH为灵敏度。
　　设霍尔元件为N型半导体制成。在磁场中运动的电子受洛仑兹力F的作用，其大小为：（6-2）式中　为电子运动的速度矢量，　为磁场矢量，　为带电粒子的电量。由于洛仑兹力FL的作用，使电子向垂直于磁场和自由电子运动的方向移动，并在端面上产生电荷积累。由于电荷的积累而产生了静电场，这个电场对电子的作用力FE为（6-3）式中FE为电场力，EH为霍尔电场强度，UH为霍尔电势，l为霍尔元件宽度

FE的作用方向与FL相反，随着电荷积累增多，电场增强，FE增大，当FE与FL对导电电子作用达到平衡时，电荷积累稳定在一定的数值上。这时
因为所以有（6-4）（6-5）流过霍尔元件的电流I为式中Q为电量，d为霍尔元件的厚度。N为单位体积内的自由电子数。E为电子的电量。　　将（6-5）代入（6-4）得到（6-6）

霍尔系数由半导体材料决定。它反映了材料的霍尔效应的强弱。单位体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强。
若是P型半导体霍尔元件，则（6-7）式中p为单位体积内的空穴数　　为方便起见，式中的负号可以不写。　　６.１.２　霍尔系数及灵敏度　　在式（6-6）中，取（6-8）则有式中为霍尔系数　　霍尔系数由半导体材料决定。它反映了材料的霍尔效应的强弱。单位体积内导电粒子数越少，霍尔效应越强，半导体比金属导体霍尔效应强。　　另外定义（6-9）

为霍尔元件的灵敏度，这时，霍尔电势表示为
（6-10）　　KH表示在单位电流，单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出值。它与元件的厚度成反比，降低厚度d，可以提高灵敏度。但在考虑提高灵敏度的同时。必须兼顾元件的强度和内阻。　　６.１.３　霍尔元件的基本电路　　根据霍尔效应原理。霍尔元件的基本电路形式，如图6-2所示。控制电流I由电源E供给。R为可调电阻，以保证得到所需的控制电流数值。输出端接负载电阻Rfz。磁场B要与元件平面垂直。图示为B指向纸面。　　在实际测量中。可以把I与B的乘积作为输入，也可把I或B单独作为输入。通过霍尔电势输出得到测量结果。

目录第一章第二章第三章第四章第五章第七章四、应用一、 Smart传感器的含义五、发展前景二、基本传感器
目录第一章第二章第三章第四章第五章第七章四、应用一、 Smart传感器的含义五、发展前景二、基本传感器三、Smart传感器中的软件

第七章 Smart传感器

（１）自补偿功能：如非线性、温度、误差、响应时间、噪声
一、Smart传感器的含义　　进入70年代，微处理器举世瞩目的成就也对仪器仪表的发展起了巨大的推动作用。在当今，所有以微处理器为基础的测控系统都需要传感器来作出实时决策的数据。随着系统自动化程度和复杂性的增加，对传感器的精度、可靠性和响应要求越来越高。传统的传感器因其功能单一、体积大，它的性能和工作容量已不能适应以微处理器为基础构成的多种多样测控系统的要求而将被逐步淘汰。为了满足测量和控制系统日益自动化的需求，仪器仪表界提出了研制以微处理器控制的新型传感器系统，把传感器的发展推到一个更高的层次上。人们把这种与专用微处理器相结合组成的新概念传感器称为Smart传感器，并于80年代初期问世。它与传统的传感器不同，传统的传感器仅是在物理层次上进行分析和设计的，其功能原理简图表示在图7-1中。而Smart传感器不仅仅是一个简单的传感器，并具有诊断、数字通信等功能，如图7-2所示。　　Smart传感器的一些新功能为：　　（１）自补偿功能：如非线性、温度、误差、响应时间、噪声

传感器信号调理电路信号输出图7-1传统传感器功能简图
交叉感应以及慢漂移等的补偿。　　（２）自诊断功能：如在接通电源时进行自检，在工作中实现运行检查，诊断测试以确定那一组件有故障等。　　　　　　　　（３）微处理器和基本传感器之间具有双向通信的功能，构成一闭环工作系统。这是Smart传感器关键的标志之一。不具备双向通信功能的，不能称为Smart传感器。　　　　　　　　　　　　　（４）信息存储和记忆功能。　　（５）数字量输出。

由于Smart传感器具有自补偿能力和自诊断的能力，所以基本传感器的精度、稳定性、重复性和可靠性都将得到提高和改善。
　　由于Smart传感器具有双向通信能力，所以在控制室就可对基本传感器实施软件控制，实现远程设定基本传感器的量程以及组合状态，使基本传感器成为一个受控的灵巧检测工具。而基本传感器又可通过数据总线把信息反馈给控制室。如果不是Smart传感器，重新设定量程等操作，必须到现场进行，从这个意义上，基本传感器又可称为现场传感器（或现场仪表）。　　由于Smart传感器有存储和记忆功能，所以该传感器可以存储已有的各种信息，如工作日期、校正数据等等。　　 Smart传感器，依其功能可划分为两个部分，即基本传感器部分和它的信号处理单元，如图7-3所示。这两部分可以集成在一起设置，形成一个整体，封装在一个表壳内；也可以远离设置，特别在测量现场的环境比较差的情况下，分开并远离设置有利于电子元器件和微处理器的保护，也便于远程控制和操作。　　采用整体封装式还是元离分装式，应由使用场合和条件而定。

（２）将传感器的识别特征存在可编程的只读存储器中。
　　基本传感器应执行下列三项基本任务：　　（１）用相应的传感器测量需要的被测参数。　　（２）将传感器的识别特征存在可编程的只读存储器中。　　（３）将传感器计量的特性存在同一只读存储器中，以便校准计算。　　信号处理单元应完成下列三项基本任务：　　（１）为所有器件

（２）用微处理器计算上述对应的只读存储器中的被测量，并校正传感器敏感的非被测量。
提供相应的电源。　　（２）用微处理器计算上述对应的只读存储器中的被测量，并校正传感器敏感的非被测量。　　（３）通信网络以数字形式传输数据（如读数、状态、内检等项）并接收指令和数据。　　此外， Smart传感器也可以作为分布式处理系统的组成单元，受中央计算机控制，如图7-3所示。其中每一个单元代表一个Smart传感器，含由基本传感器、信号调理电路和一个微处理器；各单元的接口电路直接挂在分时数字总线上，以便与中央计算机通信。

　　二、基本传感器　　基本传感器是构成Smart传感器的基础，它在很大程度上决定着Smart传感器的性能；因此，基本传感器的选用、设计至关重要。近十余年来，随着微机械加工工艺的逐步成熟，相继加工出许多实用的高性能微结构传感器，不仅有单参数测量的，还开发了多参数测量的。在本书前几章已有部分介绍，其中特别是先进的硅传感器。硅材料的许多物理效应适于制作多种敏感机理的固态传感器，这不仅因为硅具有优良的物理性质，也因为它与硅集成电路工艺有很好的相容性。它与其它敏感材料相比，更方便制作多种集成传感器。当然，石英、陶瓷等材料也是制作先进传感器的优良材料。这些先进传感器为设计Smart传感器提供了基础。　　为了省去A/D和D/A变换，进一步提高Smart传感器的精度，发展直接数字或准数字式的传感器，并与微处理器控制系统配套，这是理想的选择。硅谐振式传感器为准数字输出，它勿需A/D变换，可简便地与微处理器接口构成Smart传感器。当今，微型谐振传感器被认为是用于精密测量的一种有希望替换其它原理的新型传感器。

传感器的长期稳定性表现为传感器输出信号的缓慢变化，称为漂移。这是另一个比较难以校正和补偿的问题。亦应在传感器生产
过去，在传感器设计和生产中，最希望得到的是传感器的输入输出特性是线性的，而在Smart传感器的设计思想中，不需要基本传感器是线性传感器，只要求其特性有好的重复性。而非线性度可利用微处理器进行补偿，只要把表示传感器特性的数据及参数存入微处理器的存储器中，便可利用存储器中这些数据进行非线性的补偿。　　这样基本传感器的研究、设计和选用的自由度就增加了。象硅电容式传感器、谐振式传感器、声表面波式传感器，它们的输入输出特性都是非线性的，但有很好的重复性和稳定性，为Smart传感器的优选者。　　传感器的迟滞现象仍是一个困难的问题，主要因为引起迟滞的机理非常复杂，利用微处理器还不能彻底消除其影响，只能有所改善。因此，在传感器的设计和生产阶段，应从材料选用、工作应力、生产检验、热处理和稳定处理上采取措施，力求减小传感器的迟滞误差。　　传感器的长期稳定性表现为传感器输出信号的缓慢变化，称为漂移。这是另一个比较难以校正和补偿的问题。亦应在传感器生产

阶段设法减小加工材料的物理缺陷和内在特性对传感器长期稳定性的影响。
　　总之，在Smart传感器的设计中，对基本传感器的某些固有缺陷，且不易在系统中进行补偿的，应在传感器生产阶段尽量对其补偿，然后，在系统中再对其进行改善。这是设计Smart传感器的主要思路。例如，在生产电阻型传感器中，加入正或负温度系数电阻，就可以对其进行温度补偿。　　三、 Smart传感器中的软件　　关于Smart传感器中的硬件结构已在图7-3中有所表明。本节仅对于处理传感器信息的软件加以论证，软件能实现硬件难以实现的功能。　　 Smart传感器一般具有实时性很强的功能，尤其动态测量时常要求在几个微秒内完成数据的采样、处理、计算和输出。 Smart传感器的一系列工作都是在软件（程序）支持下进行的。如功能多少、使用方便与否、工作可靠与否、基本传感器的性能等，都在很大程

度上依赖于软件设计的质量。软件设计主要包括下列一些内容。１.标度变换技术
　　１.标度变换技术　　在被测信号变换成数字量后，往往还要变换成人们所熟悉的测量值，如压力、温度、流量等。这是因为被测对象，如数据的量纲和A/D变换的输入值不同；经A/D变换后得到一系列的数码，必须把它变换成带有量纲的数据后才能运算、显示、打印输出。这种变换叫标度变换。　　2.数字调零技术在检测系统的输入电路中，一般都存在零点漂移、增益偏差和器件参数不稳定等现象。它们会影响测量数据的准确性，必须对其进行自动校准。在实际应用中，常常采用各种程序来实现偏差校准，称为数字调零。　　除数字调零外，还可在系统开机或每隔一定时间自动测量基准参数实现自动校准。

用微处理器进行非线性补偿常采用插值方法实现。首先用实验方法测出传感器的特性曲
　　3.非线性补偿在检测系统中，希望传感器具有线性特性，这样不但读数方便，而且使仪表在整个刻度范围内灵敏度一致，从而便于对系统进行分析处理。但是传感器的输入输出特性往往有一定的非线性，为此必须对其进行补偿和校正。用微处理器进行非线性补偿常采用插值方法实现。首先用实验方法测出传感器的特性曲线，然后进行分段插值，只要插值点数取得合理且足够多，即可获得良好的线性度。在某些检测系统中，有时参数的计算非常复杂，仍采用计算法会增加编写程序的工作量和占用计算时间。对于这些检测系统，采用查表的数据处理方法，经微处理器对非线性进行补偿更比较合适。 4.温度补偿环境温度的变化会给测量结果带来不可忽视的误差。在Smart

也可在线用测温元件测出传感器所处周围的环境温度，测温元件的输出经过放大和A/D变换送到微处理器处理即可实现温度误差的校正。
传感器的检测系统中，要实现传感器的温度补偿，只要能建立起表达温度变化的数学模型(如多项式），用插值或查表的数据处理方法，便可有效地实现温度补偿。　　也可在线用测温元件测出传感器所处周围的环境温度，测温元件的输出经过放大和A/D变换送到微处理器处理即可实现温度误差的校正。　　5.数字滤波技术当传感器信号经过A/D变换输入微处理器时，经常混进如尖脉冲之类的随机噪声干扰，尤其在传感器输出电压低的情况下，这种干扰更不可忽视，必须予以削弱或滤除。对于周期性的工频(50Hz)干扰，采用积分时间等于20ms的整数倍的双积分A/D变换器，可以有效地消除其影响。对于随机干扰信号，利用软件数字滤波技术有助于解决这个问题。总之，采用了数字补偿技术，使传感器的精度比不补偿时，能提高一个数量级。

　　四、应用图7-5所示为一种光电式Smart压力传感器，它使用了一个红外发光二极管和两个光敏二极管，通过光学方法来测量压力敏感元件(膜片)的位移(见图7-5(a))。提供参考信号基准的光敏二极管和提供被测压力信号的光敏二极管制作在同一芯片上，因而受温度和老化变化的影响相同，可以消除温漂和老化带来的误差。两个二极管受同一光源(发光二极管)的照射，随着感压膜片的位移，固定在膜片硬中心上的起窗口作用的遮光板将遮隔一部分射向测量二极管的光，而起提供参考信号的二极管则连续检测光源的光强。两个电压信号Vx 和Vr分别由测量二极管和提供参考的二极管产生，它们分别为（7-1）

式中，H，S分别代表光强度和二极管光敏系数；Ax，Ar分别代表测量二极管和参考基准二极管的受光面积。
　　用一台比例积分式A/D变换器来获得仅与二极管照射面积Ax，Ar以及零位调整和满量程调整给定的转角　和　有关的数字输出（图7-5（b））。　　至于二极管的非线性、膜片的非线性可由微处理器

校正。在标定时，将这些非线性特性存入可编程只读存储器中进行编程，在测量时即可通过微处理器运算实现非线性补偿。
　　上述思路就是Smart传感器的设计途径，它不追求在基本传感器上获得线性特性，认可其重复性好的非线性。而后采用专用的可编程补偿方法获得良好的线性度。　　该Smart传感器的综合精度在0 -120kPa量程内可达到0.05%，重复性为0.005%。可输出模拟信号和数字信号。图7-6所示为Smart差压传感器，由基本传感器、微处理器和现场通信器组成。传感器采用扩散硅力敏元件，它是一个多功能器件，即在同一单晶硅芯片上扩散有可测差压、静压和温度的多功能传感器（图7-6（a））；该传感器输出的差压、静压和温度三个信号，经前置放大、A/D变换，送入微处理器中。其中静压和温度信号用于对差压进行补偿处理后的差压数字信号再经D/A变成4-20mA的标准信号输出，也可经由数字接口直接输出数字信号（图7-6（b））。图7-7所示Smart硅电容式集成差压传感器，由两部分组成，硅电容传感器和它的信号处理单元。微硅电容传感器的尺寸为

9mm× 9mm×7mm。传感器的感压硅膜片由硅微电子集成工艺机、技术（如等离子刻蚀等工艺）制成，其满量程偏移量仅有4微米。信号处理单元各部分的功能直接表明在图中，不再用文字叙述。

　　图7-8所示为Smart传感器系统在先进飞机上应用的示意图。现代飞机和空间飞行器的结构更多地采用复合材料已成为发展趋势。更引人注目的是，在复合材料内埋入分布式光纤传感器（或阵列），象植入人工神经元一样
构成Smart结构件，光纤传感器既是结构件的组成部分，又是结构件的监测部分。所以，这种Smart结构是一种具有自我监测功能的构件。设法把埋入在结构中的分布式光纤传感器（或阵列）和机内

（２）监视飞行载荷和环境，并能快速作出响应。
设备（特别是计算机）连网，便构成Smart传感器系统。它们可以连续地对结构应力、振动、温度、声、加速度和结构完好性等多种状态实施监测和处理，成为飞机的保健监测系统。它们具体可实现如下主要功能。　　（１）提供飞行前完好性和适航性状态报告。　　（２）监视飞行载荷和环境，并能快速作出响应。

（３）飞行过程中结构完好性故障或异常告警。（４）具有自适应能力。（５）能适时合理地安排飞行后的检修。五、发展前景
　　（３）飞行过程中结构完好性故障或异常告警。　　（４）具有自适应能力。　　（５）能适时合理地安排飞行后的检修。　　五、发展前景　　十年前，美国霍尼维尔（Honeywell)公司推出了第一个Smart传感器。它将硅敏感元件技术于微处理器的计算、控制能力结合在一起，从而建立起一种新的传感器概念。这种新的传感器（ Smart传感器）是由一个或多个基本传感器、信号调理电路、微处理器和通信网络等功能单元组成的一种高性能传感器。这些功能单元块可以封装在同一表壳内，也可以分别封装。目前Smart传感器多使用在压力、加速度和流量等传感器，几年之内将会扩大到化学、磁和光学等各类传感器上应用。　　尽管Smart传感器中微处理器控制系统本身都是数字式的，但其通信规程仍继续沿用4～20mA的标准模拟信号。目前还没有类似于4～20mA模拟标准的数字标准。因此，国际上有关标准化研究机

今后的Smart传感器必然走向全数字化。这种全数字式
构，积极筹划推出国际规格的数字标准（现场总线）。作为应用又不能停顿下来，作为一种过渡，就出现了所谓HART（寻址远程传感器的数据线）协议。它是一种Smart通信协议，与现有的4～20mA系统兼容，即在模拟信号上迭加了一个专用的频率信号，因此模拟与数字可以同时进行通信。在现场总线的标准尚未完成的今天， HART协议正在变成工业上既成事实的标准。这样，可使各国不同厂家的产品具有通用性；否则，难以降低价格推广使用。　　今后的Smart传感器必然走向全数字化。这种全数字式

Smart传感器（图7-9）能消除许多与模拟电路有关的误差源（例如，总的测量回路中勿需再用A/D和D/A变换器）。这样，每个传感器的特性都能如此重复地得到补偿，再配合相应的环境补偿，就可获得前所未有的测量高重复性，从而能大大提高测量准确性。这一现实，对测量与控制将是一个重大的进展。　　　　　　　　　　　　　　　　　　未来十年内，传感器系统很可能全部集成在一个芯片上（或多片模块上），其中包括微传感器、微处理器和微执行器，它们构成一个闭环工作微系统。有数字接口与更高一级的计算机控制相连，通过利用专家系统中得到的算法对基本微传感器部分提供更好的校正与补偿。那时的Smart传感器，功能会更多，精度和可靠性会更高，智能化的程度也将不断提高，优点会越来越明显。　　　　　　　总之，Smart传感器代表着传感器技术今后发展的大趋势，这已是世界上仪器仪表界共同瞩目的研究内容。

结　束

返回 NBS饱和盐水溶液平衡时的相对湿度温度（℃）饱和盐溶液的相对湿度（%RH） LiCl ·H2O MgCl2
温度（℃）饱和盐溶液的相对湿度（%RH） LiCl ·H2O MgCl2 ·6H2O Na2Cr2O7 ·2H2O Mg(NO3)2 NaCl (NH4)2SO4 KNO3 K2SO4 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 14.7 14.0 13.3 12.8 12.4 12.0 11.8 11.7 11.6 11.5 11.4 35.0 34.6 34.2 33.9 33.6 33.2 32.8 32.5 32.1 31.8 31.4 60.6 59.3 57.9 56.6 55.2 53.8 52.5 51.2 49.8 48.5 47.1 57.8 56.3 54.9 53.4 52.0 50.6 49.2 47.7 46.3 74.9 75.1 75.2 75.3 75.5 75.8 75.6 75.4 74.7 83.7 82.6 81.7 81.1 80.6 80.0 79.8 79.6 79.3 79.1 97.6 96.6 95.5 94.4 93.2 92.0 90.7 89.3 87.9 86.0 85.0 99.1 98.4 97.9 97.5 97.2 96.9 96.4 96.2 96.0 95.8 返回

半导体器件工艺原理主讲人：杨学昌绪论衬底制备薄膜生长掺杂技术图形加工技术隔离表面钝化

返回在晶轴坐标系下，可知电场分量Ei是电流密度Jj和应力分量σkL的函数将上式在电流密度和应力趋于零时进行麦克劳林展开
式中第一项为ij方向上的电阻分量；第二项为ikL方向上的压电系数；第三项为电阻率随电流密度变化的变化值；第四项为压电系数随应力变化的数值；第五项为ijkL方向上因应力变化引起电阻率的变化值。硅晶体没有压电效应以及保持电流密度不变，则三阶张量和五阶张量为零。第五项为四阶张量，该项表明硅晶体具有较强的压阻效应。

　　应变片的基本结构及测量原理各种电阻应变片的结构大体相同，以下图为例右图是各种形状的应变花

关于金属的电阻应变效应，我们在前一节已经讲过了，这里不再重复了，只给出结论如下。
1.金属的电阻应变效应　　关于金属的电阻应变效应，我们在前一节已经讲过了，这里不再重复了，只给出结论如下。这里K0是金属的灵敏系数，基本是个常数，后一个因子是应变，结论是：金属受力后，其电阻的相对变化和应变呈正比。上图所示的金属应变片是以直径为0.025mm左右的合金电阻丝绕成形如栅栏的敏感栅，敏感栅粘贴在绝缘的基底上，电阻丝的两端焊接引出线，敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。L称为应变片的基长，b称为基宽，L*b称为应变片的使用面积。应变片的规格以使用面积和电阻值表示。　　使用应变片时，将应变片粘贴于被测对象表面上。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形时，应变片敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化。通过转换电路转换为相应的电压

或电流的变化，根据上式可以得到被测对象的应变值，再根据应力应变的关系
可以测得应力值　。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而做成各种应变式传感器。　　应变片所以应用的比较广泛，是由于有如下优点：１.测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测１～２με，误差小于１％。２.应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布影响小。既可用于静态测量，又可用于动态测量，３.测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从１％－２０％。４.适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。５.便于多点测量、远距离测量和遥测。

电阻应变片分金属丝式，金属箔式和金属薄膜式。 a.金属丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式两种。
　　２.应变片的类型和材料　　电阻应变片分金属丝式，金属箔式和金属薄膜式。　　a.金属丝式应变片　　金属丝式应变片有回线式和短接式两种。右图a所示为回线式应变片，它的敏感栅丝直径为0.012~0.5mm，以0.025mm左右为最常见，回线的曲率半径r 为0.1~0.3mm，基片用厚度为0.03 mm左右的薄纸（称纸基），或用粘结剂和有机树脂基膜制成（称胶基），粘贴性能好，能有效地传递变形。引线多用0.15~0.30mm直径的镀锡铜线与敏感栅相接。因制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，所以最为常用。但因弯曲部的变形使其横向效应较大。为了克服横向效应，可制成右图b所示的短接式应变片。两端用直径比

栅丝直径粗5~10倍的镀银丝短接而成。由于焊点多，易在焊点处出现疲劳损坏，制造工艺要求高，使用较少。
对丝式应变片敏感栅的材料要求是：灵敏度高，电阻率高，稳定性好，温度系数小，机械强度高，抗氧化，耐腐蚀。常用的材料有康铜、镍铬合金、镍铬铝合金、铁镍铬合金以及贵金属（铂、铂钨合金）等。 b.金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003~0.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状，其形状如前面所说的应变花。它的优点是：1.可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，以适应不同的测量要求。2.与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度。3.横向效应可以忽略。4.蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。它的主要缺点是电阻值的分散性大，有的能差几十欧姆，故需要做阻值调整。

c.金属薄膜应变片金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空淀积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1微米以下的金属材料薄膜敏感栅，最后再加上保护层，易实现工业化批量生产。它的优点是应变灵敏系数大，可在-197~317℃温度下工作。主要问题是，尚难控制其电阻与温度和时间的变化关系。　　３.粘合剂和粘贴技术　　应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的，粘贴剂形成的胶层必须可靠地将试件或弹性元件产生的应变传递到应变片的敏感栅上去，所以粘合剂与粘贴技术对测量结果有直接影响。　　a.粘合剂　　选择粘合剂必须适合应变片材料和被测试件及环境，例如工作温度、湿度、化学腐蚀等。对粘合剂要求为：１.有一定的粘结强度；２.能准确传递应变，有足够的剪切弹性模量；３.蠕变小、机械滞后小；４.有足够的稳定性能；５.耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳等。

常用的粘合剂类型有硝化纤维素粘合剂、氰基丙烯酸脂粘合剂、有机硅粘合剂等。 b.粘贴工艺
　　粘贴工艺是一项技术性很强的工作，只有在正确的工艺基础上才能有良好的测试结果。粘贴工艺包括：１.应变片的检查和阻值检查；２.试件表面处理，为了使应变片牢固地粘贴在试件表面上，必须将要贴片处的表面部分打磨，使之平整光洁。清洗使之无油污、氧化层、锈斑等；３.定位划线；４.粘贴应变片，并压合，使粘合剂的厚度尽量减薄；５.粘合剂固化处理；６.引线的焊接处固定以及防护与屏蔽处理等。　　经固化和稳定处理后，应对应变片进行电阻测量和绝缘性测量。

灵敏系数系指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。
　　４.金属应变片的主要特性　　a.灵敏度　　灵敏系数系指应变片安装于试件表面，在其轴线方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。　　b.横向效应　　敏感栅是由多条直线和圆弧组成，按泊松关系，横向效应将不可避免。　　c.机械滞后　　加载特性和卸载特性不重合，即在同一机械应变值下，其对应的电阻值相对变化值不一致。加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值称应变片的滞后。

产生机械滞后的原因，主要是敏感栅、基底和粘结剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的。 d.零漂和蠕变
　　产生机械滞后的原因，主要是敏感栅、基底和粘结剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的。　　d.零漂和蠕变　　粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。　　如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。　　金属应变片的主要特性还有：应变极限和疲劳寿命；最大工作电流和绝缘电阻；应变片的电阻值；动态响应特性等，

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