《高级传感器》翻译--(P200902108).doc

目录第五章热传感器45.1 基本概念45.1.1 热学被测量45.1.2 应用考虑45.1.3 热传感器的分类55.2 热电偶55.2.1 热电效应55.2.2半导体热电偶65.3热敏电阻器85.3.1金属热敏电阻器85.3.2电热调节器95.4热二极管105.4.1基本原理105.4.2 热敏二极管的集成电路125.5 热敏晶体管125.5.1 基本原理125.5.2 完整的装置135.6其它的电子传感器135.6.1热电偶继电器温度调节器135.6.2热量计145.7无电的热传感器145.7.1温度计145.7.2温度指示器和光学（导）纤维的感应器145.7.3 表面超声波器件15第六章磁电式传感器156.1基本的概括和定义156.1.1磁性的介绍156.1.2传感器的磁效应166.1.3磁微传感器的分类166.2 霍尔器件176.2.1霍尔效应176.2.2集成霍尔传感器186.3磁控电阻器196.3.1半导体196.3.2 磁性薄膜206.4磁二极管206.5磁敏晶体管216.5.1引言216.5.2横向磁敏晶体管216.5.3垂直磁敏晶体管216.6 声磁场微传感器226.7SQUIDs（超导量子干涉器件）22第七章 生物化学微传感器247.1简介247.1.1定义247.1.2分类247.1.3应用257.2化学电阻器257.2.1介绍257.2.2 金属氧化物气体传感器257.2.3 有机气体传感器277.3化学电容器277.4化学二极管287.4.1无机肖特基装置287.4.2有机的肖特基装置287.5化学传感器287.5.1金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）气体传感器287.5.2 离子选择性场效应晶体管297.6热化学微传感器297.6.1热敏电阻297.6.2 载体催化气体传感器307.7 质量敏感化学微传感器317.7.1 基本原则317.7.2 QMB和 压电SAW器件327.7.3电容超声波质量传感器347.7.4电容兰姆波传感器34第五章热传感器5.1 基本概念5.1.1 热学被测量 热传感器用来测量许多与热有关的量，例如温度，热通量和热容。温度是可能的最基本的变量并提供热能的测量或是加热一个物体。物体的温度同时也与其他热量有关。 物体中的热量Q（单位是焦耳）与其绝对温度（在K氏温度里）成正比。Q=mcT (5.1)其中比例系数mc是热容量，m是质量，c是每单位质量的热容或特定的热容（单位是J/kg K），它是材料的基本性质。物体的特定热容是一个物体储存热能量的能力，类似于电容的容积是储存电能的。两个不同温度的相邻物体和区域像一个流动的电压以至于热量可以从高温区流向低温区。比率是当电流经过一个区域时由温度梯度和区域的热容决定的。公式为：Q=A 或者，更通常的，-kA (5.2)其中A是区域通过热流时的截面积，并且是三级梯度向量算子。物体的热阻RT被定义为测量当热流经过时，物体阻碍热流的能力。热阻与材料的导热性和物体的几何形状有关：R= (5.3 )其中L是物体的长度。因此，温度和热流量是基本变量，相当于电气系统中的电压V和电流i。热容和热阻被描述成系统的基本性质，类似于电容C和电阻R。在表5.1中，展示了热系统和电系统的相似之处，过去常用来辅助了解热系统反应模型和特性。这里，热不等同于电气电感L，当然热系统的实际行为是非线性的，因为热容和热阻总体上取决于温度。然而，热系统或热传感器的一个线性模型通常能有其特点行为的好评价。举例来说，一个实际热时间常数的有效估计是从第一阶系统中物体短暂响应的简单模型中获得的，例如一个指数函数。5.1.2 应用考虑温度可能是最重要的过程参数，在1987年被卖的所有固体传感器中的40%都是热传感器。例如，温度在绝大多数化学反应过程中是很重要的，当化学反应的速率是遵循阿累尼斯关系根据温度呈现指数倍增长的。所以温度在许多过程中需要被测量，并且都是重要的参数，甚至以某种方式被控制或者补偿。许多材料加工工艺的范围从传统的钢和其他金属的烧铸到单晶硅的微加工都需要温度的测量。温度不仅被测量在植物，汽车（如发动机），家电应用（如电冰箱），医学（如人体温度）和环境（如大气温度）中。还用在非热传感器中的次要传感变量，例如气体传感器或机械风流量传感器。温度传感器常用来补偿由成分或手段或一部分控制电路（如自动调温器）引起的温度变化所造成的误差。这样热传感器就形成了目前最大规模和最重要的传感器类型。5.1.3 热传感器的分类通过定义，热传感器是接触型的传感器而不是非接触型传感器，传感元素直接接触热源。热信号是从热源中产生的，通过传感元素通常产生一个电信号或模拟电信号来传导热。非接触传感器分为辐射传感器。辐射温度传感器的检测是由物体（如集热电探测器）发出的电磁波完成的。 表5.2显示了一个热传感器家族的分类概略图。大多数热电传感器是调制的而不是自激产生的，但有两个例外，一个是热电偶（或热电堆）它能通过两个结合点的不同温度产生电磁辐射，另一个是热噪声传感器。大多数热导传感器如：热调节器，热电二极管，热电晶体管，能分类为微传感器。然而，传统的温度传感器例如汞填充物温度计不是微传感器，这里将不详细讨论。从表5.3中可以看出接触式热传感器包括一个大范围的温度。（例如,从1.5到2700K），然而非接触热集电辐射传感器能测量的温度高达5000K。上表还显示了温度的范围由标准的测量技术测量，这是典型的结果。使用液体填充物温度计或铂阻温度计的优点是其有一个几乎是常数的电阻温度系数（TRC），也就是在一个重要的温度范围内输出是直接与温度成比例的。然而硅和其他材料的不同的电阻温度系数目前仅是一个轻微的缺陷，因为它可以使得低成本的制作线性模拟电路或数字校准电路。每种类型的热传感器的物理原理将会被仔细的考虑。这将有利于解释每种类型的传感器的局限和决定其适当的应用。5.2 热电偶5.2.1 热电效应当有两种不同的金属（如铜和铁）和连接点组成的一块电路会在不同的温度下有效，然后会产生电磁幅射，电流在它们之间流动。图5.1显示了在温度TA下两种金属（铜和镍）连接点的基本排列当第二个参考连接点在不同温度TB下有效。热电电动势V通过连接点由一个伏特计来测量产生的，通常有一个高负载电阻RL。装置通常是作为热电偶被提及的，并且已知的热电效应是塞贝克效应。开放电路电压V取决于在热电偶TA和参考点TB之间不同的温度。这是和热电系数（塞贝克系数）或者热功PA相关的，热功是材料特定的，由下式给出： （5.4）在工作中的热电偶需要两种金属，热电系数通过热电偶PS被测量，其中热电偶PS是 （5.5）其中是参考金属B的热电系数。表5.4列出了热电系数的电动势，由一些典型金属和关于铂的标准合金在0 oC产生，这里： （5.6）从表5.4通过两种列出的值为任何热电偶获得电动势是可能的。理想地，一个热电偶应该有一个臂是用高电动势材料制造的，例如，铁的在+3.45mV，另一个是用低电动势材料制作的，例如：镍的在-3.10mV。最终200oC的温度倾斜的电动势因此是6.64mV或者一个热功为33.2uV/K。表也包含了热功是由温度决定的涵义，在各种材料这个温度范围内。金属（和合金）的热电效应是很小的，它的精确值是不容易被预测的。然而，热电电动势（或者电化学电势）是经常被结合，通过费米能量EF和扩散电势中组合的变化。费米水平效应由下式给出， （5.7）其中q是电子电荷。金属的费米水平取决于它的温度T和规定N（E）的密度，由下式给出：（5.8）其中是金属在绝对0度时的费米水平，k是玻尔兹曼常数。因此，金属的温度增加，像镍，是由于费米水平的降低。一个更低的费米水平在一个热的节点上导致电子流向它，因此产生一个正的热电系数。然而，温度倾斜也影响金属内电子和声子的速率。电子和声子密度的区别导致一个扩散趋势的发展，它对抗从费米水平变化计算出来的电动势，因此减少了全面的观测效果。两种其他的热电效应已经发现其对微传感器并不重要。首先，珀耳帖效应（塞贝克效应）发生在电流流过不同导体的节点，热量不仅被释放 ，同时被吸收，这决定于电流方向。第二，汤姆森效应发生在电流流过一个简单的导体和一个温度倾斜被维持，额外的热量，在焦耳热量之外，是被激发和吸收的。然而，因为珀耳帖效应和汤姆森效应没有被使用于传感器，他们将不被进一步讨论。5.2.2半导体热电偶半导体材料通常显现出比在金属中观测到的更大的热电效应。如前所述，塞贝克效应是一种体传输性能，它可以根据温度梯度和费尔米水平的变化（从等式（5.7）中）来表示：E/q=PT (5.9)其中E/q是电化学势，P是塞贝克系数（如：热功率）。对于一个非退化的半导体，塞贝克系数可以用麦克斯韦-玻尔兹曼统计方法来估计。有三种主要的效应导致三个分离的阶段，每个阶段都改变电化学势。在一个n型半导体中，塞贝克系数常由等式（5.10）给出。第一个阶段说明了材料在费尔米水平和传导键之间的间隙随温度变化时变得更固有的原因，其中n是搀杂水平，N是在传导键状态下的密度，k是玻尔兹曼常量，q是电子电荷。第二个阶段起源于电荷载流子随温度增加有有一个增长的平均速率。此外，电荷载流子的溅射通常是取决于能量的， s是与碰撞和电荷载流子能量之间的平均自由时间相关的指数。s取值在-1和+2之间，它取决于热载流子能自由移动还是被增加的溅射所阻碍。最后，温度的微分引起声子从热区到冷区的净流动。从热区到冷区的声子净位移导致了一个由表示的电荷载流子的拖动。声子拖动的尺寸随搀杂水平和温度而变化。典型地，在300K时在高搀杂硅中取值为0，在低搀杂硅中取值为5。可得到一个对p型非退化半导体的类似等式，从而产生两个等式如下：N型：P=-ln()+(1+s)+ (5.10.1)P型：P=+ln()+(1+s)+ (5.10.2)其中N是在原子价键顶端状态下的密度，p是接收器浓度。在实际情况下，塞贝克系数能有用的与电阻率联系起来，在各种感兴趣的温度下有如下的近似值：Pln(/) (5.11)其中m是一个无量纲的常量，取值大约在2.65.4。是一个电阻率常量，为510m。图5.2显示了300K时单晶硅的塞贝克系数相对于其在各种搀杂水平下的电阻率的一些实验数据。虚线显示了等式（5.11）与实验数据在理论上的吻合，这种吻合在更高的搀杂水平下是最好的。从图5.3中可以立刻明显的看到，硅的塞贝克系数（1,000V/K）大大超过了先前表中所列的各种金属的数值（10V/K）。大体的观测结果在考虑由下式定义的“品质因数”时能很好的被阐明：Z=P/ (5.12)其中是材料的电导率，是材料的热导率。品质因数不仅取决于塞贝克效应的大小，还取决于电导率与热导率的比率。高的传导率之比是有好处的，因为它允许在低功耗下获得一个高的温度温度梯度。图5.4阐明了在一个热电传感器中用半导体材料而不是金属（或绝缘的）材料的潜在优势。尽管只是一个有些拙劣的模型，它指明了载流子密度在1018到1020cm-3之间时产生一个顶端性能。早期关于微热电堆的工作表明，用在其上有沉积铝连接器的窄离子注入p型带制造器件是可能的。主要的问题是高的热导率产生低的器件灵敏度。然而，正如最近报告的，如图5.7所示，硅衬底的体微加工允许保留可能仅5到10的薄膜。薄膜很大地增加器件的热电阻，进而增加它的灵敏度。硅器件的高热电功率（5mV/K）证明了它在温度传感方面的潜在应用。然而，集成的热电堆有其他更多的有前景的应用，例如流量传感。5.3热敏电阻器5.3.1金属热敏电阻器虽然金属和半导体的电阻率随温度变化，但是它们性能的特性是不同的。金属的性能在图5.5中被解释，铂的电阻率在温度从0到500K的范围内被绘制。在非常低的温度下（小于20K）,电阻率一般是常数，与温度无关，受电子杂质散布的控制（除了超导体以外）。在低温度下（20K到50K），指数定律被遵循，它与电子杂质散布过程有关。在大约50 K以上的温度，这种关系几乎是线性的并且取决与电子声子散布。它将超出这个范围，也就是在-200到+1000，金属热敏电阻器可以被使用。电阻率的温度系数被定义如下， (5.13)对于在近似线性范围的金属，电阻率可以通过二次多项式很好的被描述： (5.14)其中0是在标准温度0下的电阻率，和是材料常数。在方程式（5.13），电阻率的温度系数被给出， （5.15）因此，材料常数是电阻率的线性温度系数，对于金属是正极性的，取一个典型值 5/K，如表5.5所示。 是受欢迎的金属，因为它的电阻是随温度成特别的线性关系（例如，是很小的其值为大约5.910-7/K2）。表5.5显示了它的电阻率相对于其他普通的金属和合金。尽管铂没有高的电阻率这是对微器件有利的，它具有相当高的TCR（39.210-4/K）。更重要的是，高纯度的线是可用的而且它具有高的化学稳定性。绕线的铂电阻温度计广泛的使用，工业版本符合英国标准 BS 1904（1964）。这些温度计覆盖了很宽的温度范围，从15K到1000K有一个0.1的非典型的精确度和一个100欧姆的标称电阻。一个改进的等式（5.17）称为Callendar-van Dusen 等式，用来校准铂线元素。这个等式扩展多项式到四阶（条件在T4）。它的稳定性使铂用作温度参考标准。镍电阻温度计提供了一个低成本的来替代铂，但是其温度范围仅从70K到600K。表5.5普通金属与合金的电阻特性材料电阻特性TCR镍铬铁合金109.02康铜（一种铜镍的合金）490.2锰镍铜合金430.2钯10.835.7铂10.639.2铁9.7165.1铟945镍6.8467.1钨5.5046铑4.745.7铝2.6942金2.339铜1.6743银1.6342薄膜（大约1微米厚）铂热阻是低成本的微型版本的铂丝温度计和具有较低的热响应时间。商用传感器达到一个精确度为小于正负0.20在70到350时，具有长时间的稳定优于0.1每年。低的标称电阻（大约100欧姆）和中等的TCR的金属热电阻需要使用一个电阻的桥梁网络去转换信号。一个三线补偿桥经常用做测量他们的电阻。图5.6显示了一个三线补偿桥的图解。有三个电阻RL1，RL2,RL3他们连接热敏电阻器RT到桥电路中。在平衡时，没有电流流向导线L2，倘若导线上的电阻都相等，将有相等的电压降通过其他两个导线L1和L3。当所有四个臂（如R1,R2,R3和RT）都有相等的电阻时这个桥具有最高的灵敏度。桥的输出Vout是大约1mV/0C对标准的100欧姆铂热敏电阻器和一个10V直流电压。5.3.2电热调节器在热敏电阻器中可能取代金属的是温度敏感的半导体电阻，他们由各种金属氧化物构成或者由硅构成。这些半导体热敏电阻器的稳定性和精确度比铂热敏电阻器差，但是优势是低的制造成本和综合接口电路的可能。电热调节器这个词通常用来分类那些由陶瓷材料制成的半导体热敏电阻器。半导体材料（例如：硫化物，硒化物，镍、锰、铜等的氧化物）被制造成所有种类光碟、珠或棒。典型的电热调节器的电阻系数是比金属热敏电阻器的要高很多的，他们的TCR是负数而且明显的非线性，如图5.7所示。这个图表显示了金属电阻与其冰点电阻的关系，为了使铂和镍的值标准化。热点调节器的电阻系数在零功率是通常由下式表示： （5.13）其中是在参考温度（通常是25而不是0）；是材料常数。这样，从等式（5.13），热敏电阻的TCR为： （5.17）指数常数典型值为3000到4500K，在25时，相应的零功率电阻值在500到10M。电阻随温度发生大的变化，准许使用热敏电阻与基本运算放大器电路，而不是一个精确的桥梁网络。例如，一个潜在的分隔器使用标准电阻和电压放大器（例如用一个741运算放大器）来缓冲信号可能已经足够（见图5.18），输出电压由下式给出： (5.18)随温度变化的非线性输出通常用一个软件的查看表来校准。当热敏电阻工作时，跟踪是必要的，因TCR是强烈的依赖于功率的消耗。那有两种主要型号的电流电压特性如图5.9。NTC热敏电阻有一个相反的温度电阻率系数，因此当一个重要的电流经过，产生自加热，这导致了一个更高的电流在同一个供电电压下。一些金属氧化材料有正的而不是相反的温度电阻率系数，PTC热敏电阻有一个不同的欧姆特性。现在强电流流过使得电阻持续增长，这样得减少流过装置的电流。这两种热敏电阻的应用将在稍后讨论。通常压缩进惰性以及稳定的玻璃瓶或陶瓷混合物中的珠或光碟式热敏电阻的热度时间常数（）在液体中典型的是1到10s。5.4热二极管5.4.1基本原理二极管和晶体管作为调制温度传感器的应用由麦克拿马拉在1962年第一次使用。比其他热传感器，热二极管传感器的潜在优点是它们与集成电路的兼容性和低的制造成本。图5.10给出了一种理想的p-n型硅二极管的电流电压特性。在电压低于传导电压时，实际上没有电流流过二极管，随着饱和电流达到较高的反偏压。当电压大于传到电压时，二极管是能够通过大量电流。P-n结的正向和反向偏置能级图和损耗区如图5.11。在零偏压时，当载流子从n型区域流向p型区域时，载流子必须通过一个势垒，反之亦然。这个势垒的高度由于前偏置电压的应用而减少，或者由于反向偏置电压的应用而增加；这些作用依次调制流过节点的电流。费米级通过应用电压v来改变。正如图示那样，但是经常在n型的价带附近或者是在一个n型半导体材料的导带附近。在经典的节点理论中，电子和空穴电流密度，与一个简单的扩散过程有关， (5.19.1） (5.19.2)其中是电子的扩散度，是p型材料耗尽层边缘的电子浓度，是平衡来自长度的边缘的电子浓度。相似参数是由n型区域定义的。由爱因斯坦的相对论知，电子和空穴的浓度与外界电压v有关。如: (5.20)电子可空穴浓度是理想二极管，等式5.26是可代替的。如： （5.21）这里，饱和电流是常量，这个常量和节点区域A和当前节点参数的定义有关，如： （5.22）在现时二极管中，在理想二极管等式5.21中，指数参数由于非理想增加的因素（典型值是1.5）而更改，因为热产生载流子能够扩散到耗尽区，而后再结合。另外，诸如通过不确定区域的压降或二极管包装的影响从那种应用能够减少实际通过节点的电压。二极管电压的理想温度信任值由下面的等式得到。 （5.23）这种关系是很好的一个温度传感器作为二极管的电压是成正比的绝对温度。通过一个恒流源操作二极管提供了温度系数，这个温度系数理论上是温度的可靠值，并且依靠电流常数，如等式5.31在正向偏压时，饱和电流的变化可以忽略的。 （5.24）在前置偏压时，一个正向节点电压能通过二极管的电流电压的特性估计出来，（如图5.16），尽管没有真正的节点电压作为连续的功能的衍生。硅的正向节点电压在25时是0.7V，并且这个电压大约是随温度以斜率是-2的线性。图5.18给出了在偏置电流10uA时，一片典型的硅二极管正向偏压随温度变化的曲线。在正向电压非常低的温度时，一近似线性区域是明显的大幅增加。因此，正向节点电压能用来测量50K到300K的温度范围。硅热二极管首先变为非线性在它们的正向电压温度特性中，然后在低温时下降。因为掺杂原子不再是完全电离。相反，在温度高于约200时，通过温度造成节点的永久损伤，掺杂原子的流动性得到加强，然而这有限的温度范围之外，热二极管提供一个低成本的方式测温，测温的准确性一般。5.4.2 热敏二极管的集成电路图5.13（a）显示的是一种基本的放大（op-amp）电路。这种电路能用来测量通过热敏二极管正向偏置电压Vf。电阻R1和R2用来限制通过节点的电流i。通过二极管的正向偏置电压经由特别的电压放大器获得一个输出电压Vout,这个输出电压线性取决于温度。市场上能买到的半导体器件LM3911是一种便宜的温度微传感器，它有一个集成放大器和只需一个单输入电压就能运行并且有一个10mV/K的输出电压，如图5.13（b）所示。实际上，饱和或者泄漏电流is对制造过程敏感并且受扩散再结合率和温度的影响。对硅二极管的饱和电流在25摄氏度时仅有25nA但是在150摄氏度时能达到大约7mA的级别。这种高电流的需求限制了热敏二级管的范围和线性。热微传感器的集成电路的表现能通过利用热敏晶体管而不是热敏二极管来提高，伴随着激光微电阻的电路来提高它的精确性。此外，从热敏二极管出来的正向结合电压的负温度系数在许多控制电路中是不想要的，因为开路失效将导致满功率输出。5.5 热敏晶体管5.5.1 基本原理热敏晶体管比其他类型的温度传感器有潜在的优势，因为它们能更容易地集成在微电子电路中。晶体管中的发射电流ie主要取决于发散过程，而不是决定基本电流的再结合或者泄漏过程。在晶体管的基极和发射极之间的电压Vbe,取决于温度，这与二极管的初期表现相似。唯一不同的实常数（如is）不同取决于器件的几何形状。更复杂的测量温度的方法是用一个晶体管首先用来接收一个高电流ic1和接着接收一个低电流ic2。不同之处在于基极射极电压Vbe现在只取决于接收电流而不是几何性或材料因素， 当ic1ic2 (5.25)这个器件是一种PTAT像热敏二极管初期的输出直接比例于绝对温度一样。5.5.2 完整的装置图5.14 展示一个电路包含许多热晶体管比单个的晶体管电路要稳定的多。晶体管和有着共同的基发电压，因此总电流i平均地分向每一边。在第二级，由八个的二极管组成所有的都与相同。通过二极管的集电极电流是的八倍。通过电阻R的压降与发射极的电压不同，例如， （5.26）取代基发电压从公式5.27中被给出， （5.27）当电流流过R是i/2时，电流就直接与绝对温度成比例， (5.28) 一个电路修改的版本是开发在商业可行性上的类似装置AD590温度传感器，这个传感器提供一个高的独立电流源1uA/K,提供一个4到30V的直流电压。输出被校准通过激光微调内部的电阻器到（）uA，对于一个温度为298.2K。这种类型的的传感器特别有用，因为并不需要复杂的外部电路（例如：一个三线桥），作为一个电流基极检测器，能用在用遥控的应用，这里引导电阻将依靠电压读数降低检测器的准确度。5.6其它的电子传感器5.6.1热电偶继电器温度调节器带有一个离散的函数来调制信号热的温度的调节器，或者热电偶继电器能够被考虑为温度调节器。热电偶继电器温度调节器经常用在国内或其他的应用作为一个控制装置，而不是一个测量装置。最广泛的热电偶继电器温度调节器应用就是二金属的开关，它由两个装置连接着带有不同的热膨胀系数金属带。由温度改变引起的不同的应力引起这个金属带弯曲，从而引起一个控制的功能。二金属带微观结构设备已经加工出来了，但是固态的装置更加常用。这些装置是有效的电热调节器带有一个敏感的改变在电阻上，从一个令人满意的价值上。例如，100K在57和75降到100对于一个10的变化。适当的设计确定了电阻的改变都与外部的温度范围有关。微开关的封装，例如，一个TO-18包对于保护高温来说能够提供一个低的成本装置。5.6.2热量计热量计测量能量的释放和吸收的大小，通过一个物体交换改变在温度上。经常用一个电热调节器或者一个热电堆来测量温度。设备的热量能够与一个带有化学的或者生物化学反应交换而产生或者移去，从而导致一个在自由能量系统的改变。这样，有必要有一个活跃的膜作为热量计的一部分。因此，热量计能被分类为化学的或者生物的传感器。5.7无电的热传感器有许多其他类型的热传感器，他们是非电的但却能引起注意。特别地，一些传感器被称为微传感器是可能的，因为他们需要一种薄膜技术或者在硅中被微加工。他们将在未来可能变得的小型化，我们将在下面简短地讨论。5.7.1温度计传统测量温度的方法是监测气体、液体或固体的热膨胀。象一个双金属材料的长条，固体或者液体的长度L随着温度的不同而改变。 （7.36）这里是在一个参考温度（）时的长度。液体长度的改变常常与温度是线形的关系，因为是主要的系数。水银温度计能够被用在一个温度范围是-35到+510之间的范围，膨胀系数是/K。将与认识到一个膨胀温度计在硅里有直接的关系，尽管，被读出不能象电子装置那么例如P-N二极管一样容易。5.7.2温度指示器和光学（导）纤维的感应器固定的材料（有机晶体）已经成长经过一个颜色的改变当被加热或者是冷却时。这些材料能够用来包上物体的表面来作为一个薄膜温度眼指示器。当温度感应材料改变引起白光成分的改变，他们能被作为调整温度传感器。这种热铬层的敏感度是低的而且他们仅仅覆盖一个小的温度的范围。例如，人造的手特性液体晶体的特性战士在表5.6中。这些温度可逆描述响应但是他们的长期特性能被降低,通过光照当有机分子被UV射线损害时。因此，它们实际的应用有些被限制。比半导液晶体好的的材料是一种玻璃，这种玻璃非常耐用。图5.15展示了一个可能的排列，用一个光学的纤维系统来传送信号通过一个温度感应臂（经过一个箱子）和一个参考臂。包括的原理是在两个臂的相位不同，通过温度改变来移位，和一个荧光的活性材料的衰减时间有关。表5.7展示了一个不同传感材料的特性和测量和光调制的应用技术的比较。现在，依靠光学传感器的仪器都是很大和昂贵的。用集成LEDs、纤维光学沟道和薄的光学材料能够在将来提供一个很好地实用的硅微系统。5.7.3 表面超声波器件表面超声波能够被激发并通过某种物质，例如，铌酸锂或石英。图5.16显示了表面超声波延迟线振荡器的示意图。在铌酸锂衬底上间隔为/8的交叉指型金制电极发射和接受表面超声波。振动频率由相位循环条件决定，而且是温度的函数。 （5.30）其中为放大器的相位偏移，d为表面超声波器件的延迟时间，n为激发模式数目。通过铌酸锂衬底的热膨胀和传播速率的变化，延迟时间d依赖于温度。适当的电子设计允许一个稳定的振荡模式0（典型值为40MHz），其温度依赖如下： （5.31）其中，l和v是热膨胀系数和速率。图5.17显示了在50到150范围内，43MHz铌酸锂表面超声波延迟线振荡器的响应。灵敏度为4kHz/,实质上在这个范围内是不依赖于温度的。在0.001分辨率非常高，但有信号观测波动，大约为0.2。第六章磁电式传感器6.1基本的概括和定义6.1.1磁性的介绍磁场自发在我们的周围。例如，天体产生的磁场的强度的范围，不同于遥远的星体大约为2A/m到太阳的表面或者木星的极点大约为600A/m。一些生物系统也能产生磁场。例如，流过我们大脑，心脏和肌肉组织的电流产生10 A/m的小磁场。图6.1表明了磁场强度的规模，范围从10A/m到大约10A/m。因此大的磁场是人造的，用在传输光缆，电力变压器（典型的是10A/m到10A/m），软或者硬的磁铁材料（典型的是1到10A/m）和常规的螺旋管或者超导线圈（10到10A/m）。磁场强度H的单位是A/m，然而磁感应或磁流通密度B的单位是T（特斯拉）。磁流通密度B是1特斯拉当1韦伯的磁通量垂直通过1m面积。磁感应强度B和磁场强度T的关系如下： （6.1）其中是材料的磁渗透率和自由空间产生的磁渗透率（4）和相对磁渗透率是相等的。高磁渗透率（铁合金或铁）（1）和低磁渗透率（直径或参数）()的材料在磁传感器中都被使用。6.1.2传感器的磁效应各种各样的磁效应的发现和特殊磁材料的发展使磁传感器能在一个宽的范围内加工。表6.1提供了从1842年焦耳效应的发现到1962约瑟夫森效应的发现磁效应的简短的概述。这些效应用各种各样的方法发现的。在直接应用中，磁传感器本质上是一个磁力计，用来测量磁场强度，例如来自地磁场的，或磁带，磁盘，信用卡等磁材料的场调制。在间接的应用中，磁传感器作为一个中间的传感器来检测非磁场信号。有许多间接应用的例子如下：1 使用霍尔器件的线位置或角位置的感应；2 霍尔效应器件的压力感应；3 无刷直流马达的控制；4 非接触电流感应；在直接应用中，磁传感器通常用来检测微秒到毫秒特斯拉范围的人造的磁流密度。6.1.3磁微传感器的分类很明确的是使用大线圈或磁块的传感器类型不是微传感器，本章将不讨论。半导体磁场传感器是微传感器，他们采用效应由于电荷载荷在磁场中的移动产生的洛伦兹力。相似的是，超声磁传感器采用薄膜或厚膜的磁致伸缩或磁弹性效应。表6.2给出了磁微传感器的分类，根据他们产生的基本原理和器件的类型。分类包括各种类型的半导体和这些活跃的薄的或厚的膜（如超声波延迟线传感器）。超导量子传感器不像其他的微传感器，不仅因为它的操作原理还因为它极高的灵敏度。一个超导量子传感器能解决在生物磁体中发现的微特斯拉的信号，是目前使用的最敏感的磁器件。6.2 霍尔器件6.2.1霍尔效应当一个电子在一个金属里移动的时候代表一个磁流动密度B，一个磁力在它上面产生。这就是所谓的洛伦兹力，它垂直作用在电子的运动方向上，有下式 （6.2）其中是电子的平均移动速度。洛伦兹力偏离电子的流动线一个角，是著名的霍尔角。电子的偏离导致正电子在半导体材料的一边形成而负电子在另一边形成。产生的霍尔电场和珞伦磁力是相反的，有下面的平衡条件（用标符号）（6.3）霍尔效应磁传感器采用这个效应。图6.2显示了一个霍尔平板传感器的布局。通过板的电压能被计算出来通过简单的传输理论如：=（6.4）其中是霍尔板的宽度。和平均速度V有关的的电流有下式给出：=（理想的霍尔电压）（6.5）其中n电子密度，d板厚度，霍尔系数。然而霍尔电压和霍尔角的量是由霍尔系数决定的，有tan=（6.6）其中是材料的电导率。金属，如金和铜，霍尔系数是小的并且是负的（-1）接近经典传输理论得出的值。同样的经典传输理论也能用在n型和p型半导体材料中，通过把自由电子和自由空穴作为载流子。这个模式在概念上正在被呼吁和导致的霍尔系数为；=（n型）（6.7）=（p型）（6.8）（混合型）（6.9）半导体理论的霍尔系数是由电子和空穴共同提供的，如等式（6.9），根据电子和空穴的迁移率和固有载流子的浓度n。图6.3展示了硅的霍尔系数的特征行为随着沉积水平的改变从p型材料到n型材料。事实霍尔系数的实验值和简单的理论是不同的差一个因子r（n型）；（p型）（6.10）R是由能带结构和随后的散射加工决定的。对在室温下一个低的沉积水平，n型硅的值大约为1.15而p型硅的值为0.5最后，霍尔电压必须和板的几何形状联系到一起。使用一个几何因子，等式6.5可以写成：（6.11）几何有关的因子出现是因为板不是无限长的，因此电极接点扭曲了电流线。能从精确的几何形状中计算出。在强烈的本征条件下，n型材料的霍尔是：（6.12）然而，霍尔效应器件最好用低电导率的薄板做和几何形状的细心选择，使大约为0.5霍尔传感器的灵敏度能从她的施加的电流和电压V确定，和分别为：=（6.13） （6.14）这里R是器件的阻抗，敏感性的典型值是在硅器件中SI 为100V/AT，SV为0.1/T。6.2.2集成霍尔传感器图6.4显示了顶部外观和代表性的N型的霍尔平台电磁传感器。这个平台是依据深的P型扩散区，这个结构是和IC两极加工是完全兼容的。电流在电极1和2之间流动，同时，霍尔电压通过电极3和4测量。典型的电极密度和外延层的厚度分别是1015到1016cm3和5到10um。这个设计可制造出合理的有着200um左右典型的平面尺寸的器件。外延层的电阻率能通过局部离子的培植来降低。这项技术能导致一个更均匀的平台和便于制作更高线性度的砷化镓器件。这种双极类型的IC器件垂直地测量到芯片平面的磁场。因为在电磁场平行于芯片平面应用被期望，垂直霍尔器件结构被显示在图6.5中。这个结构最近已经被用于单块硅质集成电路，采用了两个直交的100平方微米的装置。每个器件的SI敏感度是41V/AT，同时伴有1x10-5噪音水平在40Hz。各种浓度的磁流密度的角度被计算出去粗糙的提供输出电压到场的角落，见图6.6。水平的和垂直的霍尔电磁场传感器也能用CMOS技术来制造。例如：一个3-D的垂直霍尔电磁场传感器能在标准的2umCMOS加工中被辨识出（6.7）。器件能测量所有的磁流密度的三成份，（Bx，By，Bz），同时地，给一个线性响应。一个MOS霍尔双极器件的优点是它的SI敏感度高于500到1000V/AT，因为它的超薄霍尔层（100埃）多于迁移率的补偿。最终，正离子腐蚀已经被用于增强双极垂直霍尔传感器的敏感度。最终结构是J型场效应管的结构，JFET。关于用于垂直霍尔器件1250V/AT的一个更高的SI已经被报告。 6.3磁控电阻器6.3.1半导体半导体电阻是受应用的外部磁场影响的。主要的效应决定于洛仑兹力，这个力使线性电流旋转一个角度，这里（6.15）电流路径所以变得更窄和更长，导致电阻增加因为小的角度：（6.16）常数kar 取决于金属板的纵横比,理想的金属板宽度比长度要大。两种可能的设计是一系列的霍耳板或者苛宾诺圆盘分别如图6.7(a)和(b)所示.两种结构都使所需要的霍耳电压短路.硅的低电子迁移率使效应相当小.但是InSb有70000cm2/Vs的特别高的电子迁移率。此外,在InSb中添加NiSb产生一个具有定向垂直于电流可以充当短路板的金属针结构。图6.8显示了工业中添加和不添加InSb/NiSb磁阻器对磁感应密度的影响。电阻的巨大变化是由重要的霍耳角引起的。不添加和添加InSb/NiSb磁阻器的输出是取决于温度变化的,因此精密的测量需要利用校准表或者温度稳定计。6.3.2 磁性薄膜 电传导磁材料显示了所谓的各向异性磁阻效应。在这些材料中磁化矢量决定了正常电流的方向。外部磁场使磁化矢量在薄膜中旋转的应用，产生了电流通路。设备的电阻R()是与角度有关的一个函数： (R()-R0)/(Rn0-R0) =sin2 （6.17）q ( 8.17)R0是设备在零角度时的电阻，Rn0是材料常数。这个函数是非线性的,为了获得高的灵敏度,理想情况下把角度设置为45度。这可以利用螺旋条状纹结构来实现，例如，透磁合金薄膜.设备在有源电桥配置中的灵敏度SV 最近被认为是3/T以及-3.5*10-3/K的温度系数。 6.4磁二极管 图6.9显示了磁二极管的基本结构配置。尺寸为(1wd)的n+和p+的半导体区域注入了载体,在电场的作用下漂移。磁二极管效应由Suhl或者在交界面的重新结合率和2倍载体的注入引起的。注入的载体受洛仑兹力的作用往区域的边缘偏移，正如前面所描述的，它导致载体集中倾斜垂直于电场Ex.这些效应引起二极管电流电压特性的改变，它取决于相对结合率，几何尺寸和电流荷载。通过利用Si-Al2O3(高重新结合率)和SiSiO2(低重新结合率)在表面重新结合率的不同已经形成磁二极管。这些所谓的SOS磁二极管的结构如图6.10（a）所示。为了厚度d比比双极扩散长度小和产生一个小的磁感应密度（20mT），磁二极管上的恒流的正电压敏感性已经给出， SVf=dVf/dBz=e(n+p)eff(v2-v1)vf2/8kTl (6.18)其中l是n型硅区域的长度，v1和v2是重新结合率，n和p是载体迁移率，eff是有效载体的生存时间。已经报道了4.9V/T的灵敏度。SOS磁二极管有几个缺点：第一，Si-Al2O3表面上的重新结合率很难再生成，第二，灵敏度是严重非线性的，最后，设备的性能取决于温度。为了决定不同设备的重新结合率，已经尝试利用不同机械粗糙度，但是已经证明是不现实的。 一个稍微不同的原理用于一个与标准集成电路工艺如体CMOS可兼容的类似磁敏二极管的结构，见图6.10(b)。这个结构看起来像一个双极型晶体管，但是反偏的p-n结（如集电极）变成了传统SOS磁敏二极管的高的再结合表面。一个磁场垂直的加到基极电流上，使电流线朝着或远离集电极发生偏转。因此，随着集电极电流被调节，基极的电阻系数将会改变，从而基极-发射极电压被调节。高达25V/T的前向电压灵敏度被报告，从而比在SOS磁敏二极管中观测到的要稍微大一点。6.5磁敏晶体管6.5.1引言尽管硅霍尔平面能用标准集成电路技术来制造，输出电压可能遭受一个偏置导致的掩膜对准误差或者内在应力引起的压阻电压。磁敏二极管并未遇到这种偏移问题，但是它们的灵敏度因对高的表面再结合率的控制不够而变动。并不奇怪的是，晶体管结构也受到磁场的影响，所以也能用作磁微传感器。磁敏晶体管或磁开关的输出信号是一个电流差。一个磁敏晶体管基本上包括一个电流源（如发射极）和几个电极（如集电极）来下沉电流。一个分裂沟道并是不必要的，但是它去除了静态信号，从而减少非线性。磁敏晶体管能工作依赖于两个原理。首先，当霍尔场被阻止形成时，如同在霍尔平面上一样，电荷载流子被洛伦兹力偏转。这个偏转导致了集电极电流的不平衡。其次，发射极的注入被调整，如同在磁敏二极管中一样，当基极中的霍尔电压通过发射极调整注入电流。磁敏晶体管的设计将决定哪种机制支配其磁场灵敏度。磁敏晶体管通常可根据主电流关于硅表面的方向来分类。当电流横向流动时，器件对垂直的场敏感。相反地，当电流垂直流动时，器件对横向的场敏感。6.5.2横向磁敏晶体管图6.11显示了用标准双极型技术制造的最早的横向磁敏晶体管之一的结构。发射极电流I被霍尔洞的角度偏转，导致一个电流的差异穿过两个p型集电极c1和c2。穿过与b1和b2接触的n型基极施加一个正电压，导致基极表现的像霍尔平面一样，并产生一个霍尔场。霍尔场通过一个更大的角度偏转电流的路径，从而贡献了电流差。结合这些效应给出：= K（+）BI (6.19) 和是电子和空穴的可流动性，K是一个取决于器件形状的常量：偏移条件和电器件的性能。在一个双基极双集电极的磁敏二极管中，注入调制决定了磁灵敏度。如图6.12所示，集电极在基极衬垫的外面。垂直场的应用在基极和发射极区域设置了相反的霍尔场。这就在每一边有差异地轮流改变了注入发射极的电流，从而电流流经集电极。横向磁敏晶体管也能用CMOS技术来加工。用CMOS技术的主要优点是能提高灵敏度。6.5.3垂直磁敏晶体管在垂直磁敏晶体管中，电流沿硅表面垂直流动，因此横向磁场的灵敏度是可实现的。有两个主要类型的垂直磁敏晶体管：差动放大磁传感器（DAMS）和双集电极磁敏晶体管。图6.13所示，是两个结构的横截面。DAMS由两个垂直p-n-p晶体管组成，其中基极区是共用的。垂直磁场在发射极区之间产生霍尔电压，霍尔电压用来修正注入电流并进而修复集电极电流。DAMS的优点是小霍尔信号可以通过该结构被放大。如图6.13（b），在垂直双集电极磁敏传感器中，器件有在硅表面垂直流动的电流，因此对横向磁场敏感。它由两个p-n-p晶体管组成，如前面所期望的，对于两个器件基极和发射极是共用的。横向磁场将电子偏向n+集电极中的一个，从而产生集电极电流差 (6.20)其中是常数（理论上是2），是有效偏离长度（也就是外延的厚度），是发射极的宽度，是总的集电极电流（），是霍尔角。据报道，各种设计的垂直磁敏晶体管已经出现；然而，他们的输出对光刻掩膜误差非常敏感，因此霍尔板器件总体上更易生产。6.6 声磁场微传感器当表面声波（SAW）在薄磁性材料上传播时，在磁自旋和应变场之间会发生磁致弹性的耦合。因此，应用外部DC磁场可以修正磁性材料的声波特性。这个原理已经应用于SAW延迟线振荡器中，振荡器频率的变化和声波的相位速率v是磁通密度的函数， (6.22)图6.14所示，SAW延迟线器件被配置在石榴石膜上。石榴石膜外延生长在（111）钆镓石榴石（GGG）基底上，然后平铺一层铝，再溅射出ZnO来增加机电传感器的耦合性。图6.15显示出了磁通密度Bz对SAW振荡器频率的影响。器件中心频率0为105MHz，波长32。磁场灵敏度大约1Hz(A/m)