薄膜傳感器課件

1、本課件配套教材新型傳感器原理及應(yīng)用ISBN 7-111-09929-X 作 者: 王元慶 出版者: 機(jī)械工業(yè)出版社南京大學(xué)電子科學(xué)與工程系第 八 章薄 膜 傳 感 器 薄膜熱傳感器 薄膜應(yīng)變片 薄膜氣敏傳感器金屬薄膜熱電阻多晶硅薄膜熱電阻薄膜應(yīng)變片簡(jiǎn)介薄膜應(yīng)變片原理薄膜應(yīng)變片的制作及特性SnO2氣敏薄膜氣敏特性Department of Electronic Science and Engineering, Nanjing University 第一節(jié) 薄膜熱敏傳感器金屬薄膜熱電阻多晶硅薄膜熱電阻SENS RPrinciples and Applications of Novel 1、金屬薄膜

2、熱電阻 2、多晶硅薄膜熱電阻薄膜熱電阻與其它測(cè)溫傳感器的比較傳感器名稱優(yōu) 點(diǎn)缺 點(diǎn)薄膜熱電阻外形尺寸小，強(qiáng)，一致性，熱響應(yīng)時(shí)間短，性能穩(wěn)定。工作電流小，自熱影響大。厚膜鉑電阻焊接性強(qiáng)，性能穩(wěn)定，自熱小。外形尺寸較小，一致性較好，熱響應(yīng)時(shí)間較短。線繞鉑電阻可測(cè)量高溫，可作為標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)。體積大，抗震性差，存在應(yīng)力影響。熱敏電阻溫度系數(shù)大，價(jià)格低測(cè)溫范圍小，非線性、離散性大熱電偶可測(cè)量高溫需要冷端補(bǔ)償制作工藝敏感膜(2m)基片引線真空沉積技術(shù)，將微細(xì)鉑粉沉積在基片上形成薄膜對(duì)零度阻值進(jìn)行激光修正，誤差小于0.05%玻璃燒結(jié)料將引線燒結(jié)固定薄膜熱電阻阻值與溫度變化之間的關(guān)系：電阻與溫度的關(guān)系a = 3

3、.9080210-3b = - 5.8019510-7c = - 4.2735110-12電阻溫度系數(shù)標(biāo)稱阻值的允許誤差等分R0 0時(shí)電阻阻值或稱作標(biāo)稱阻值 一般為100、500、1000t 溫度差值，t = t-0 Rt 溫度t時(shí)傳感器的電阻值 一般取t = 100來(lái)測(cè)定TCRA級(jí)0.06%B級(jí)0.12%C級(jí)0.24%定義：一定溫度內(nèi)，金屬薄膜材料的平均電阻溫度系數(shù)Rt 金屬在溫度點(diǎn)t時(shí)的電阻值Rt0 金屬在溫度點(diǎn)t0時(shí)的電阻值0是溫度為t0時(shí)的電阻率一般情況下，連續(xù)結(jié)構(gòu)金屬薄膜的散射幾率為：?jiǎn)挝?1/)p = p1 + p2 + p3 + p4 + p5p1 聲子對(duì)電子的散射幾率p2 雜質(zhì)

4、對(duì)電子的散射幾率p3 晶體缺陷對(duì)電子的散射幾率p4 晶界對(duì)電子的散射幾率p5 薄膜表面對(duì)電子的散射幾率隨溫度變化多晶硅薄膜由許多晶向不同的微小晶粒和連接它們的晶粒間界組成的。多晶硅薄膜晶粒間界是晶粒之間的過(guò)渡區(qū)，晶粒間界的原子排列高度無(wú)序，呈非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，電阻率很高。每個(gè)晶粒可以看成一個(gè)小的單晶體，晶粒內(nèi)部原子呈周期性有序排列。晶粒晶粒間界(幾個(gè)原子層厚)通過(guò)對(duì)薄膜中載流子移動(dòng)過(guò)程的影響，晶粒間界決定了多晶硅薄膜電阻值。多晶硅薄膜的總電阻率=g+b定量分析對(duì)于P型單晶硅或者外加偏壓晶粒中性區(qū)空穴濃度：450以下，P（0）NA q 電子電荷數(shù) k0 玻爾茲曼常數(shù)P(0) 晶粒中性區(qū)空穴濃度 P 空

5、穴遷移率 （與晶格的振動(dòng)散射和電離雜質(zhì)散射有關(guān)）A、B 與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù) mh 空穴的有效質(zhì)量晶格振動(dòng)散射項(xiàng)，正的溫度系數(shù)晶格雜質(zhì)散射項(xiàng)，負(fù)的溫度系數(shù)晶界電阻項(xiàng)對(duì)于晶粒尺寸較大、晶界區(qū)缺陷密度低、或高摻雜情況 ： 原因：晶粒耗盡區(qū)W很窄，勢(shì)壘高度降低，晶粒中性區(qū)L擴(kuò)大，多晶硅薄膜的電阻率主要由晶格振動(dòng)散射項(xiàng)和晶格雜質(zhì)散射項(xiàng)的單晶晶粒電阻率決定對(duì)于晶粒尺寸很小、晶界區(qū)缺陷密度高、或輕摻雜情況： 原因：晶粒中性區(qū)L與晶粒耗盡區(qū)W相比不很大，而晶界耗盡層為高阻區(qū)。電阻率則主要由晶界電阻率決定。新型傳感器原理及應(yīng)用Department of Electronic Science and Enginee

6、ring, Nanjing University 第三節(jié) 薄膜氣敏傳感器簡(jiǎn)介薄膜應(yīng)變片原理薄膜應(yīng)變片特性SENS RPrinciples and Applications of Novel濺射或蒸發(fā)的方法鍍制，敏感材料為半導(dǎo)體或金屬。優(yōu)點(diǎn)：一、簡(jiǎn)介穩(wěn)定性好壽命長(zhǎng) 靈敏度高溫度系數(shù)小工作溫度范圍寬 量程大 成本低 能承受106次以上的重復(fù)加載，工作仍十分正常蠕變和滯后低， Vs(s) H(a) H(s)H H(a)薄膜未耗盡薄膜電阻：R = L /（H H(a)W氣敏響應(yīng)：S = R(a) / R(s) 1 = H(s) / H H(a)空氣中新型傳感器原理及應(yīng)用Principles and A

7、pplications of Novel SensorsDepartment of Electronic Science and Engineering, Nanjing University H(s) H H(a) 在空氣中薄膜全耗盡，還原性氣體中部分耗盡耗盡區(qū)電阻率： = 1 /（nsqn) n電子遷移率氣敏響應(yīng)：S = (Nd/ns)1 H(s) / H空氣中還原性氣體中新型傳感器原理及應(yīng)用Principles and Applications of Novel SensorsDepartment of Electronic Science and Engineering, Nanjin

8、g University H H(s) 在還原性氣體中全耗盡氣敏響應(yīng)：S = Nt / nsH存在還原性氣體前后表面態(tài)改變量： Nt = (20sNd / q)V(a) V(s)還原性氣體中新型傳感器原理及應(yīng)用Principles and Applications of Novel SensorsDepartment of Electronic Science and Engineering, Nanjing University 對(duì)于致密薄膜，在膜層厚度較薄的前提下，SnO2薄膜氣敏元件的響應(yīng)隨薄膜厚度的減小而呈現(xiàn)上升的趨勢(shì)；對(duì)于膜層較厚的薄膜，薄膜的電阻主要由膜缺陷形成的頸部決定，因而與厚

9、度無(wú)關(guān)。通過(guò)表面修飾可以改善薄膜的氣敏特性，例如采用雙層金屬氧化物半導(dǎo)體薄膜，用貴重金屬表面修飾等。用不同的金屬或不同的表面技術(shù)，可以提高選擇性、工作穩(wěn)定性。結(jié)論新型傳感器原理及應(yīng)用Principles and Applications of Novel SensorsDepartment of Electronic Science and Engineering, Nanjing University 本 章 結(jié) 束謝 謝化學(xué)汽相沉積（CVD）第一類CVD是一種氣態(tài)化合物在一定的激活能量下被分解，生成固態(tài)物質(zhì)淀積在襯底上，而生成的氣態(tài)物質(zhì)瀉出。例如正硅酸乙酯經(jīng)熱分解，生成SiO2 ：Si(O

10、C2H5) 4 SiO2 + 4C2H4 + 2H2O第二類CVD是兩種氣態(tài)化合物經(jīng)化學(xué)反應(yīng)生成新的固態(tài)物質(zhì)和氣態(tài)物質(zhì)，例如硅烷SiH4和氨NH3起反應(yīng)生成Si3N4 ：3SiH4+4NH3 Si3N4 + 12H2 CVD淀積薄膜的過(guò)程：反應(yīng)氣體輸送至襯底上方，以擴(kuò)散方式穿過(guò)附面層到達(dá)表面并被吸附。反應(yīng)氣體在襯底表面上發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成淀積薄膜，未反應(yīng)的氣體和反應(yīng)生成物脫離襯底表面回到主流氣體中去。 用加熱、等離子體或紫外線等各種能源，使氣態(tài)物質(zhì)經(jīng)化學(xué)反應(yīng)形成固態(tài)物質(zhì)淀積在襯底上的方法。濺 射首先抽真空至1.3310-2Pa以下，再充入濺射氣體達(dá)到1.33Pa（一個(gè)大氣壓）。濺射的基本原理：利用電場(chǎng)作用將惰性氣體電離，正離子向陰極方向高速運(yùn)動(dòng)，撞擊陰極表面后，把自己的能量傳遞給處于陰極的濺射材料，使濺射材料的原子或分