敏感Z元件特性與應(yīng)用的擴(kuò)展

敏感Z元件特性與應(yīng)用的擴(kuò)展

Z-元件具有進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)潛力，擴(kuò)充其特性和應(yīng)用可形成一些新型電子器件。本文在溫、光、磁敏Z-元件的基礎(chǔ)上，依據(jù)對(duì)Z-元件工作機(jī)理的深入探討，開(kāi)發(fā)出一些新型的半導(dǎo)體敏感元件，如摻金γ-硅熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉(zhuǎn)換器。本文著重介紹了這些新型敏感元件的電路結(jié)構(gòu)與工作原理。這些新型敏感元件都具有生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、體積小、成本低等特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：熱敏電阻，摻金γ-硅熱敏電阻，Z-元件，力敏Z-元件，V/F轉(zhuǎn)換器

一、前言

Z-半導(dǎo)體敏感元件﹙簡(jiǎn)稱Z-元件﹚性能奇特，應(yīng)用電路簡(jiǎn)單而且規(guī)范，使用組態(tài)靈活，應(yīng)用開(kāi)發(fā)潛力大。它包括Z-元件在內(nèi)僅用兩個(gè)﹙或3個(gè)﹚元器件，就可構(gòu)成電路最簡(jiǎn)單的三端傳感器，實(shí)現(xiàn)多種用途。特別是其中的三端數(shù)字傳感器，已引起許多用戶的關(guān)注。

Z-元件現(xiàn)有溫、光、磁，以及正在開(kāi)發(fā)中的力敏四個(gè)品種，都能以不同的電路組態(tài)，分別輸出開(kāi)關(guān)、模擬或脈沖頻率信號(hào)，相應(yīng)構(gòu)成不同品種的三端傳感器。其中，僅以溫敏Z-元件為例，就可以組合出12種電路結(jié)構(gòu)，輸出12種波形，實(shí)現(xiàn)6種基本應(yīng)用[3]。再考慮到其它光、磁或力敏Z-元件幾個(gè)品種，其可供開(kāi)發(fā)的擴(kuò)展空間將十分可觀。為了拓寬Z-元件的應(yīng)用領(lǐng)域，很有從深度上和廣度上進(jìn)一步研究的價(jià)值。

本文在前述溫、光、磁敏Z-元件的基礎(chǔ)上，結(jié)合生產(chǎn)工藝和應(yīng)用開(kāi)發(fā)實(shí)踐，在半導(dǎo)體工作機(jī)理上和電路應(yīng)用組態(tài)上進(jìn)行了深入的擴(kuò)展研究，形成了一些新型的敏感元件。作為其中的部分實(shí)例，本文重點(diǎn)介紹了摻金g-硅新型熱敏電阻、力敏Z-元件以及新型V/F轉(zhuǎn)換器，供用戶分析研究與應(yīng)用開(kāi)發(fā)參考。這些新型敏感元件都具有體積小、生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單、成本低、使用方便等特點(diǎn)。

二、摻金g-硅新型熱敏電阻

1．概述

用g-硅單晶制造半導(dǎo)體器件是不多見(jiàn)的，特別是用原本制造Z-元件這樣的高阻g-硅單晶來(lái)制造Z-元件以外的半導(dǎo)體器件，目前尚未見(jiàn)到報(bào)導(dǎo)。Z-元件的特殊性能，主要是由摻金高阻g-硅區(qū)﹙也就是n-i區(qū)﹚的特性所決定的，對(duì)摻金高阻g-硅的性能進(jìn)行深入地研究希望引起半導(dǎo)體器件工作者的高度重視。

本部分從對(duì)摻金g-硅的特性深入研究入手，開(kāi)發(fā)出一種新型的熱敏元件，即摻金g-硅熱敏電阻。介紹了該新型熱敏電阻的工作原理、技術(shù)特性和應(yīng)用特點(diǎn)。

2．摻金g-硅熱敏電阻的工作機(jī)理

“摻金g-硅熱敏電阻”簡(jiǎn)稱摻金硅熱敏電阻，它是在深入研究Z-元件微觀工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，按新的結(jié)構(gòu)和新的生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)制造的，在溫度檢測(cè)與控制領(lǐng)域提供了一種新型的溫敏元件。

為了熟悉并正確使用這種新型溫敏元件，必須首先了解它的工作機(jī)理。Z-元件是其N區(qū)被重?fù)诫s補(bǔ)償?shù)母男訮N結(jié)，即在高阻硅材料上形成的PN結(jié)，又經(jīng)過(guò)重金屬補(bǔ)償，因而它具有特殊的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和特殊的伏安特性。圖1為Z-元件的正向伏安特性曲線，圖2為Z-元件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖。

由圖1可知，Z-元件具有一條“L”型伏安特性[1]，該特性可分成三個(gè)工作區(qū)：M1高阻區(qū)，M2負(fù)阻區(qū)，M3低阻區(qū)。其中，高阻的M1區(qū)對(duì)溫度具有較高的靈敏度，自然成為研制摻金g-硅熱敏電阻的主要著眼點(diǎn)。
從圖2可知，Z-元件的結(jié)構(gòu)依次是：金屬電極層—P+歐姆接觸區(qū)—P型擴(kuò)散區(qū)—P-N結(jié)結(jié)面—低摻雜高補(bǔ)償N區(qū)，即n-.i區(qū)—n+歐姆接觸區(qū)—金層電極層?？梢?jiàn)Z-元件是一種改性PN結(jié)，它具有由p+-p-n-.i-n+構(gòu)成的四層結(jié)構(gòu)，其中核心部位是N型高阻硅區(qū)n-.i，特稱為摻金g-硅區(qū)。摻金g-硅區(qū)的建立為摻金g-硅熱敏電阻奠定了物理基礎(chǔ)。

Z-元件在正偏下的導(dǎo)電機(jī)理是基于一種“管道擊穿”和“管道雪崩擊穿”的模型[2]。Z-元件是一種PN結(jié)，對(duì)圖2所示的Z-元件結(jié)構(gòu)可按P-N結(jié)經(jīng)典理論加以分析，因而在p-n-.i兩區(qū)中也應(yīng)存在一個(gè)自建電場(chǎng)區(qū)。該電場(chǎng)區(qū)因在P區(qū)很薄，自建電場(chǎng)區(qū)主要體現(xiàn)在n-.i區(qū)，且?guī)缀跽紦?jù)了全部n-.i型區(qū)，這樣寬的電場(chǎng)區(qū)其場(chǎng)強(qiáng)是很弱的，使得Z-元件呈現(xiàn)了高阻特性。如果給Z-元件施加正向偏壓，這時(shí)因正向偏壓的電場(chǎng)方向同Z-元件內(nèi)部自建電場(chǎng)方向是相反的，很小的正向偏壓便抵消了自建電場(chǎng)。這時(shí)按經(jīng)典的PN結(jié)理論分析，本應(yīng)進(jìn)入正向?qū)顟B(tài)，但由于Z-元件又是一種改性的PN結(jié)，其n-.i型區(qū)是經(jīng)重金屬摻雜的高補(bǔ)償區(qū)，由于載流子被重金屬陷阱所束縛，其電阻值在兆歐量級(jí)，其正向電流很小，表現(xiàn)在“L”曲線是線性電阻區(qū)即“M1”區(qū)。這時(shí)，如果存在溫度場(chǎng)，由于熱激發(fā)的作用使重金屬陷阱中釋放的載流子不斷增加，并參與導(dǎo)電，必然具有較高的溫度靈敏度。在M1區(qū)尚末形成導(dǎo)電管道，如果施加的正向偏壓過(guò)大，將產(chǎn)生“管道擊穿”，甚至“管道雪崩擊穿”，將破壞了摻金g-硅新型熱敏電阻的熱阻特性，這是該熱敏電阻的特殊問(wèn)題。

在這一理論模型的指導(dǎo)下，不難想到，如果將Z-元件的n-.i區(qū)單獨(dú)制造出來(lái)，肯定是一個(gè)高靈敏度的熱敏電阻（由于半導(dǎo)體伴生著光效應(yīng)，當(dāng)然也是一個(gè)光敏感電阻），由此可構(gòu)造出摻金g-硅新型熱敏電阻的基本結(jié)構(gòu)，如圖3所示。由于摻金g-硅新型熱敏電阻不存在PN結(jié)，其中n-.i層就是摻金g-硅，它并不是Z-元件的n-.i區(qū)。測(cè)試結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)的電特性就是一個(gè)熱敏電阻。該熱敏電阻具有NTC特性，它與現(xiàn)行NTC熱敏電阻相比，具有較高的溫度靈敏度。

3．摻金g-硅熱敏電阻的生產(chǎn)工藝

摻金g-硅熱敏電阻的生產(chǎn)工藝流程如圖4工藝框圖所示?？梢钥闯?，該生產(chǎn)工藝過(guò)程與Z-元件生產(chǎn)工藝的最大區(qū)別，就是不做P區(qū)擴(kuò)散，所以它不是改性PN結(jié)，又與現(xiàn)行NTC熱敏電阻的生產(chǎn)工藝完全不同，這種摻金g-硅新型熱敏電阻使用的特殊材料和特殊工藝決定了它的性能與現(xiàn)行NTC熱敏感電阻相比具有很大區(qū)別，其性能各有優(yōu)缺點(diǎn)。

4．摻金g-硅熱敏電阻與NTC熱敏電阻的性能對(duì)比

從上述結(jié)構(gòu)模型和工藝過(guò)程分析可知，摻金g-硅層是由金擴(kuò)入而形成的高補(bǔ)償?shù)腘型半導(dǎo)體，不存在PN結(jié)的結(jié)區(qū)。它的導(dǎo)電機(jī)理就是在外電場(chǎng)作用下未被重金屬補(bǔ)償?shù)氖Ｓ嗟氖┲麟娮訁⑴c導(dǎo)電以及在外部熱作用下使金陷阱中的電子又被激活而參與導(dǎo)電，而呈現(xiàn)的電阻特性。由于原材料是高阻g-硅，原本施主濃度就很低，又被陷阱捕獲一些，剩余電子也就很少很少。參與導(dǎo)電的電子主要是陷阱中被熱激活的電子占絕對(duì)份額。也就是說(shuō)，摻金g-硅熱敏電阻在一定的溫度下的電阻值，是決定于工藝流程中金擴(kuò)的濃度。研制實(shí)踐中也證明了這一理論分析。不同的金擴(kuò)濃度可以得到幾千歐姆到幾兆歐姆的電阻值。金擴(kuò)散成為產(chǎn)品質(zhì)量與性能控制的關(guān)健工序。

我們認(rèn)為，由于摻金g-硅熱敏電阻的導(dǎo)電機(jī)理與現(xiàn)行的NTC熱敏電阻的導(dǎo)電機(jī)理完全不同，所以特性差別很大，也存在各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)。摻金g-硅熱敏電阻的優(yōu)點(diǎn)是：生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，成本低，易于大批量生產(chǎn)，阻值范圍寬（從幾千歐姆到幾兆歐姆），靈敏度高，特別是低于室溫的低溫區(qū)段比NTC熱敏電阻要高近一個(gè)量級(jí)。其缺點(diǎn)是：一批產(chǎn)品中電阻值的一致性較差、線性度不如NTC，使用電壓有閾值限制，超過(guò)閾值時(shí)會(huì)出現(xiàn)負(fù)阻。

摻金g-硅新型熱敏電阻與NTC熱敏電阻的電阻溫度靈敏度特性對(duì)比如圖5所示。

在不同溫度下，溫度靈敏度的實(shí)測(cè)值對(duì)比如表1所示。
摻金g-硅熱敏電阻是一種新型溫敏元件。本文雖作了較詳細(xì)的工作機(jī)理分析，但現(xiàn)在工藝尚未完全成熟，愿與用戶合作，共同探討，通過(guò)工藝改進(jìn)與提高，使這一新型元件早日成熟，推向市場(chǎng)，為用戶服務(wù)。

表1 不同溫度下溫度靈敏度實(shí)測(cè)值對(duì)比(kΩ/°C)

°C
?0#
?1#
?2#
?3#
?4#
?5#
?6#
?注
?
6.3
?12.4
?29.8
?28.9
?32.1
?25.7
?35.0
?36.1
??
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10.7
?9.5
?21.0
?20.5
?22.8
?17.8
?24.9
?25.6
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14.9
?7.9
?16.2
?15.9
?17.3
?13.6
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21.3
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26.9
?4.2
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?8.2
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31.0
?3.4
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?3.7
?5.2
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36.2
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?3.2
?23.4
?2.7
?3.8
?3.8
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42.1
?2.0
?2.2
?2.2
?2.3
?1.8
?2.6
?2.5
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49.5
?1.0
?1.0
?1.0
?1.1
?0.8
?1.3
?1.3
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57.0
?0.9
?0.8
?0.8
?0.9
?0.7
?1.0
?1.0
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67.0
?0.7
?0.6
?0.6
?0.6
?0.5
?0.7
?0.7
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74.5
?0.7
?0.5
?0.5
?0.5
?0.43
?0.6
?0.6
??
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86.0
?0.3
?0.2
?0.2
?0.2
?0.2
?0.3
?0.3
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注：表1中0#樣件為NTC熱敏電阻，1#-6#樣件為摻金g-硅熱敏電阻。

三、力敏Z-元件

1．概述 “力”參數(shù)的檢測(cè)與控制在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。力敏元件及其相應(yīng)的力傳感器可直接測(cè)力，通過(guò)力也可間接檢測(cè)許多其它物理參數(shù)，如重量，壓力、氣壓、差壓、流量、位移、速度、加速度、角位移、角速度、角加速度、扭矩、振動(dòng)等，在機(jī)械制造、機(jī)器人、工業(yè)控制、農(nóng)業(yè)氣象、醫(yī)療衛(wèi)生、工程地質(zhì)、機(jī)電一體化產(chǎn)品以及其它國(guó)民經(jīng)濟(jì)裝備領(lǐng)域中，具有廣泛的用途。

在力參數(shù)的檢測(cè)與控制領(lǐng)域中，現(xiàn)行的各種力敏元件或力傳感器，包括電阻應(yīng)變片、擴(kuò)散硅應(yīng)變片、擴(kuò)散硅力傳感器等，嚴(yán)格說(shuō)，應(yīng)稱為模擬力傳感器。它只能輸出模擬信號(hào)，輸出幅值小，靈敏度低是它的嚴(yán)重不足。這三種力敏元件或力傳感器，為了與數(shù)字計(jì)算機(jī)相適應(yīng)，用戶不得不采取附加的數(shù)字化方法（即加以放大和A/D轉(zhuǎn)換）才能與數(shù)字計(jì)算機(jī)相連接，使用極其不便，也增加了系統(tǒng)的成本。
Z-元件能以極其簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)直接輸出數(shù)字信號(hào)，非常適合研制新型數(shù)字傳感器[1]，其中也包括力數(shù)字傳感器。這種力數(shù)字傳感器輸出的數(shù)字信號(hào)（包括開(kāi)關(guān)信號(hào)和脈沖頻率信號(hào)），不需A/D轉(zhuǎn)換，就可與計(jì)算機(jī)直接通訊，為傳感器進(jìn)一步智能化和網(wǎng)絡(luò)化提供了方便。
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我們?cè)谏钊胙芯縕-元件工作機(jī)理的基礎(chǔ)上，初步研制成功力敏Z-元件，但目前尚不成熟，歡迎試用與合作開(kāi)發(fā)這一新器件，實(shí)現(xiàn)力檢測(cè)與控制領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新。

2．力敏Z-元件的伏安特性

如前所述，力敏Z-元件也是一種其N區(qū)被重?fù)诫s補(bǔ)償?shù)母男訮N結(jié)。力敏Z-元件的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)如圖6(a)所示。按本企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電路符號(hào)如圖6(b)所示，圖中“+”號(hào)表示PN結(jié)P區(qū)，即在正偏使用時(shí)接電源正極。圖6(c)為正向“L”型伏安特性，與其它Z-元件一樣該特性也分成三個(gè)工作區(qū)：M1高阻區(qū)，M2負(fù)阻區(qū)，M3低阻區(qū)。描述這個(gè)特性有四個(gè)特征參數(shù)：Vth為閾值電壓，Ith為閾值電流，Vf為導(dǎo)通電壓， If為導(dǎo)通電流。

M1區(qū)動(dòng)態(tài)電阻很大，M3區(qū)動(dòng)態(tài)電阻很?。ń诹悖瑥腗1區(qū)到M3區(qū)的轉(zhuǎn)換時(shí)間很短（微秒級(jí)）， Z-元件具有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)：“高阻態(tài)”和“低阻態(tài)”，工作的初始狀態(tài)可按需要設(shè)定。若靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定在M1區(qū)，Z-元件處于穩(wěn)定的高阻狀態(tài)，作為開(kāi)關(guān)元件在電路中相當(dāng)于“阻斷”。若靜態(tài)工作點(diǎn)設(shè)定在M3區(qū)，Z-元件將處于穩(wěn)定的低阻狀態(tài)，作為開(kāi)關(guān)元件在電路中相當(dāng)于“導(dǎo)通”。在正向伏安特性上P點(diǎn)是一個(gè)特別值得關(guān)注的點(diǎn)，特稱為閥值點(diǎn)，其坐標(biāo)為：P(Vth，Ith)。P點(diǎn)對(duì)外部力作用十分敏感，其靈敏度要比伏安特性上其它諸點(diǎn)要高許多。利用這一性質(zhì)，可通過(guò)力作用，促成工作狀態(tài)的一次性轉(zhuǎn)換或周而復(fù)始地轉(zhuǎn)換，就可分別輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)或脈沖頻率信號(hào)。

3．力敏Z-元件的電路結(jié)構(gòu)

力敏Z-元件的應(yīng)用電路十分簡(jiǎn)單，利用其“L”型伏安特性，在力載荷的作用下，很容易獲得開(kāi)關(guān)量輸出或脈沖頻率輸出。力敏Z-元件的基本應(yīng)用電路如圖7所示。其中，圖7(a)為開(kāi)關(guān)量輸出，圖7( b)為脈沖頻率輸出。其輸出波形分別如圖8和圖9所示。

在圖7所示的應(yīng)用電路中，電路的結(jié)構(gòu)特征是：力敏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(kāi)發(fā)的基本工作原理就在于通過(guò)半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)內(nèi)部導(dǎo)電管道的力調(diào)變效應(yīng)，使工作電流發(fā)生變化，從而改變Z-元件與負(fù)載電阻RL之間的壓降分配，獲得不同波形的輸出信號(hào)。?

（1）力敏Z-元件的開(kāi)關(guān)量輸出

在圖7(a)所示的電路中，通過(guò)E和RL設(shè)定工作點(diǎn)Q，如圖6﹙c﹚所示。若工作點(diǎn)選擇在M1區(qū)時(shí)，力敏Z-元件處于小電流的高阻工作狀態(tài)，輸出電壓為低電平。由于力敏Z-元件的閾值電壓Vth對(duì)力載荷F具有很高的靈敏度，當(dāng)力載荷F增加時(shí)，閾值點(diǎn)P向左推移，使Vth減小，當(dāng)力載荷F增加到某一閾值Fth時(shí)，力敏Z-元件上的電壓VZ恰好滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件[1]，即VZ=Vth，力敏Z-元件將從M1區(qū)跳變到M3區(qū)，處于大電流的低阻工作狀態(tài)，輸出電壓為高電平。在RL上可得到從低電平到高電平的上跳變開(kāi)關(guān)量輸出，如圖8(a)所示。如果在圖7(a)所示電路中，把力敏Z-元件與負(fù)載電阻RL互換位置，則可得到由高電平到低電平的下跳變開(kāi)關(guān)量輸出，如圖8(b)所示。無(wú)論是上跳變或下跳變開(kāi)關(guān)量輸出，VO的跳變幅值均可達(dá)到電源電壓E的40~50%。

開(kāi)關(guān)量輸出的力敏Z-元件可用作力敏開(kāi)關(guān)、力報(bào)警器或力控制器。

（2）力敏Z-元件的脈沖頻率輸出

由于力敏Z-元件的伏安特性隨外部激勵(lì)改變而改變，只要滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，就可實(shí)現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的轉(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上可輸出開(kāi)關(guān)信號(hào)；同理，如果滿足狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，設(shè)法實(shí)現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的周期性轉(zhuǎn)換，則負(fù)載電阻RL上就可輸出脈沖頻率信號(hào)。

脈沖頻率輸出電路如圖7(b)所示。在圖7(b)電路中，力敏 Z-元件與電容器C并聯(lián)。由于力敏Z-元件具有負(fù)阻效應(yīng)，且有兩個(gè)工作狀態(tài)，當(dāng)并聯(lián)以電容后，通過(guò)RC充放電作用，構(gòu)成RC振蕩回路，因此在輸出端可得到與力載荷成比例變化的脈沖頻率信號(hào)輸出。其輸出波形如圖9(a)所示。輸出頻率的大小與E、RL、C取值有關(guān)，也與力敏Z-元件的閾值電壓Vth值有關(guān)。當(dāng)E、RL、C參數(shù)確定后，輸出頻率僅與Vth有關(guān)，而Vth對(duì)力作用很敏感，可得到較高的力靈敏度。初步測(cè)試結(jié)果表明：電容器C選擇范圍在0.01~1.0mF，負(fù)載電阻在5~20kW，較為合適。
同理，若把力敏Z-元件（連同輔助電容器C）與負(fù)載電阻RL互換位置，其輸出頻率仍與力載荷成比例，波形雖為鋸齒波，但與圖9﹙a﹚完全不同，如圖9(b)所示。
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?

4．力敏Z-元件的機(jī)械結(jié)構(gòu)與施力方式

力敏Z-元件芯片體積很小，施加外力載荷時(shí)，必須通過(guò)某種彈性體作為依托。當(dāng)力載荷作用于彈性體時(shí)，使芯片內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，此內(nèi)應(yīng)力可改變力敏Z-元件的工作狀態(tài)（從低阻態(tài)到高阻態(tài)，或者從高阻態(tài)到低阻態(tài)），從而使輸出端產(chǎn)生開(kāi)關(guān)量輸出或脈沖頻率輸出。作為彈性體可以采用條形或園形膜片，材質(zhì)可以是磷銅、合金鋼或其它彈性材料。無(wú)論采用哪種彈性體，力敏Z-元件的受力方式目前理論上可歸結(jié)為兩種基本結(jié)構(gòu)：即懸臂式結(jié)構(gòu)和簡(jiǎn)支式結(jié)構(gòu)，其示意圖如圖10所示。為便于研究力敏Z-元件受力后的應(yīng)力應(yīng)變特征，結(jié)構(gòu)放大示意如圖11所示。

如前所述，Z-元件在外加電場(chǎng)作用下，在N區(qū)可產(chǎn)生“導(dǎo)電管道”，該導(dǎo)電管道在外部激勵(lì)作用下，可產(chǎn)生“管道調(diào)變效應(yīng)[2]，由圖11可知，對(duì)力敏Z-元件來(lái)說(shuō)，其P區(qū)很薄，N區(qū)相對(duì)較厚，焊接層的厚度可忽略不計(jì)，因而，在力載荷作用下的管道調(diào)變效應(yīng)必將發(fā)生在N區(qū)。當(dāng)力載荷作為一種外部激勵(lì)作用于彈性體時(shí)，使彈性體產(chǎn)生一定的撓度，在半導(dǎo)體晶格內(nèi)部產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，導(dǎo)電管道受到力調(diào)變作用，使N區(qū)電阻發(fā)生變化，改變了力敏Z-元件的伏安特性，使閾值點(diǎn)P產(chǎn)生偏移，閾值電壓Vth將發(fā)生變化。

實(shí)驗(yàn)表明，由于封裝結(jié)構(gòu)和受力方式的不同，可產(chǎn)生如圖12和圖13所示兩種方式的應(yīng)力應(yīng)變。若靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)置在M3區(qū)，施加的力載荷使N區(qū)產(chǎn)生“壓”應(yīng)力，N區(qū)晶格被壓縮，導(dǎo)電管道變“細(xì)”，正偏使用時(shí)電阻值將增加，因伏安特性的改變使閾值點(diǎn)P右移，Vth增加。當(dāng)力載荷F增加到某一特定閾值Fth時(shí)，閾值點(diǎn)P向右移至涸叵叩撓也啵?γ鬦-元件將從低阻M3區(qū)跳變到高阻M1區(qū)，如圖12所示。

同理，若靜態(tài)工作點(diǎn)Q設(shè)置在M1區(qū)，施加的力載荷使N區(qū)產(chǎn)生“拉”應(yīng)力，N區(qū)晶格被拉伸，導(dǎo)電管道變“粗”，正偏使用時(shí)電阻值將減小，因伏安特性的變化使閾值點(diǎn)P左移，Vth減小。當(dāng)力載荷F增加到某一特定閾值Fth時(shí)，閾值點(diǎn)P左移至負(fù)載線上，力敏Z-元件將從高阻M1區(qū)跳變到低阻M3區(qū)，如圖13所示。

上述分析可知，力敏Z-元件在不同封裝結(jié)構(gòu)和不同受力方式下，可產(chǎn)生工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可按設(shè)計(jì)需要輸出不同的跳變信號(hào)，可用作力敏開(kāi)關(guān)、力報(bào)警器或力控制器。在實(shí)際應(yīng)用中，可通過(guò)電源電壓E或負(fù)載電阻RL來(lái)設(shè)定力載荷的閾值Fth ，但由于跳變閾值與力敏Z-元件的制造工藝、芯片尺寸、封裝結(jié)構(gòu)、彈性體材質(zhì)與厚度、受力點(diǎn)的位置等諸多因素有關(guān)，許多問(wèn)題尚需進(jìn)一步研究與探討。
?

力敏Z-元件具有M2區(qū)的負(fù)阻特性，并具有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài)是脈沖頻率輸出的基礎(chǔ)。借助輔助電容器C，按圖7(b)所示電路，通過(guò)RC的充放電作用，可實(shí)現(xiàn)力敏Z-元件工作狀態(tài)的周而復(fù)始的轉(zhuǎn)換，采用圖12﹙a﹚、﹙b﹚或圖13﹙a﹚、﹙b﹚的結(jié)構(gòu)和受力方式，都可輸出脈沖頻率信號(hào)，輸出頻率與力載荷成比例，其輸出波形如圖9(a) 或圖9(b)所示，分析從略。

作為設(shè)計(jì)實(shí)例，力敏Z-元件樣件1#與樣件2#，經(jīng)加載與卸載實(shí)驗(yàn)，其脈沖頻率輸出的測(cè)試結(jié)果如下，供分析研究參考： 力敏Z-元件特征參數(shù): Vth=10V, Ith=1mA, Vf=4.5V (測(cè)試條件: T=25℃, RL=5kW)

芯片尺寸：2′5′0.3mm，采用簡(jiǎn)支式結(jié)構(gòu)，兩支點(diǎn)距離為10mm；中間受力，應(yīng)力應(yīng)變方式為N區(qū)受壓應(yīng)力；條狀P銅彈性體，厚度為0.2mm；試驗(yàn)環(huán)境溫度為25.4℃。測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 輸出頻率與力載荷關(guān)系測(cè)試數(shù)據(jù)

序號(hào)
?力載荷F(g)
?加載輸出頻率(kHz)
?卸載輸出頻率(kHz)
?
?
??
?樣件1#
?樣件2#
?樣件1#
?樣件2#
?
1
?0
?1.476
?1.480
?1.475
?1.474
?
2
?50
?1.482
?1.486
?1.484
?1.480
?
3
?100
?1.491
?1.489
?1.491
?1.483
?
4
?150
?1.493
?1.494
?1.490
?1.487
?
5
?200
?1.505
?1.502
?1.503
?1.490
?
6
?250
?1.511
?1.509
?1.511
?1.492
?
7
?300
?1.515
?1.516
?1.511
?1.502
?
8
?350
?1.520
?1.516
?1.518
?1.510
?
9
?400
?1.527
?1.527
?1.526
?1.526
?
10
?450
?1.529
?1.533
?1.529
?1.535
?
11
?500
?1.538
?1.538
?1.544
?1.538
?
12
?550
?1.540
?1.547
?4.543
?1.541
?
13
?600
?1.544
?1546
?1.544
?1.546
?
?

按表2，樣件2#﹙加載﹚所測(cè)數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算機(jī)繪圖可得回歸線如圖14所示。由于封裝結(jié)構(gòu)尚未定型測(cè)試數(shù)據(jù)有一定誤差，但初步實(shí)驗(yàn)表明，在這種施力方式下，輸出頻率f與力載荷成正比，在一定施力范圍內(nèi)近似呈線性關(guān)系，且回差較小。隨力載荷量程加大，非線性度要增加。回歸處理后，力的平均頻率靈敏度SF為：

??? Hz/g

約每10g 改變1Hz。力靈敏度和回差是力敏Z-元件的重要技術(shù)指標(biāo)。需要指出的是：靈敏度和回差與力敏Z-元件的特征參數(shù)、形狀與尺寸、彈性體材質(zhì)與厚度、封裝結(jié)構(gòu)以及受力方式等諸多因素有關(guān)。許多問(wèn)題也需進(jìn)一步研究與探討。需按用戶需求進(jìn)行結(jié)構(gòu)定型與標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。

四、新型V/F轉(zhuǎn)換器

1．概述
?
?

目前正在研制或在線使用的各種傳統(tǒng)傳感器，因只能輸出模擬電壓或模擬電流信號(hào)，應(yīng)稱為模擬傳感器。模擬傳感器是模擬儀表或模擬信訊時(shí)代的產(chǎn)物，主要缺點(diǎn)是輸出幅值小，靈敏度低，不能與數(shù)字計(jì)算機(jī)直接通訊。人類進(jìn)入數(shù)字信息化時(shí)代后，以數(shù)字技術(shù)支撐的數(shù)字計(jì)算機(jī)已十分普及，現(xiàn)代數(shù)字計(jì)算機(jī)要求處理數(shù)字信號(hào)，而模擬傳感器因受材料、器件的限制，仍只能輸出低幅值的模擬信號(hào)，不能與計(jì)算機(jī)直接通訊，已成為制約信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的瓶頸問(wèn)題。為了使模擬傳感器能與計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊，目前是采取把輸出信號(hào)進(jìn)行放大再加以A/D轉(zhuǎn)換，即把現(xiàn)行的模擬傳感器加以數(shù)字化的方法來(lái)與數(shù)字計(jì)算機(jī)相適應(yīng)。雖然在信息采集與處理過(guò)程中電路復(fù)雜，硬件成本增加，但由于目前能直接輸出數(shù)字信號(hào)的數(shù)字傳感器為數(shù)不多，這種模擬傳感器數(shù)字化的方法仍發(fā)揮著巨大的作用。

本部分利用Z-元件構(gòu)成一種新型的V/F轉(zhuǎn)換器，它能把模擬傳感器輸出的電壓信號(hào)變成能被數(shù)字計(jì)算機(jī)識(shí)別的頻率信號(hào)，提供了一種模擬傳感器數(shù)字化的新方法。該方法與采用A/D轉(zhuǎn)換器方案相比，具有電路簡(jiǎn)單、成本低、體積小、輸出幅值大、靈敏度高、輸出線性度好、能與計(jì)算機(jī)直接通訊等一系列優(yōu)點(diǎn)，可做為模擬傳感器與計(jì)算機(jī)之間的重要接口，在信息產(chǎn)業(yè)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

2．電路組成與工作原理

Z-元件是一種新型的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，當(dāng)其兩端電壓達(dá)到一定閾值(即閾值電壓Vth)時(shí)，可從高阻狀態(tài)跳變到低阻狀態(tài)；而當(dāng)其兩端電壓小于一定閾值(即導(dǎo)通電壓Vf)時(shí)，又可從低阻狀態(tài)跳變到高阻狀態(tài)。利用這一特性可方便地開(kāi)發(fā)V/F轉(zhuǎn)換器。

由Z-元件構(gòu)成的V/F轉(zhuǎn)換器如圖15(a)所示，圖15(b)為其中Z-元件的電路符號(hào)。在圖15(a)所示電路中以電壓E為輸入，由于RL、C和Z-元件之間的充、放電作用，使電路始終處于自激振蕩狀態(tài)，其振蕩頻率f與輸入電壓E成正比，波形為鋸齒波，其輸出幅值可以很大，由選定的Z-元件參數(shù)而定。實(shí)現(xiàn)了模擬信號(hào)(電壓E)到數(shù)字信號(hào)(頻率f)的轉(zhuǎn)換，可用于數(shù)字系統(tǒng)的觸發(fā)。由于輸出幅值大，它不需放大就可實(shí)現(xiàn)與計(jì)算機(jī)的直接通訊。

3．V/F轉(zhuǎn)換器的傳輸特性

當(dāng)基準(zhǔn)溫度TS=20℃時(shí)，輸入電壓E與輸出頻率f之間的傳輸特性如圖16所示。由圖16可知該傳輸特性具有良好的線性關(guān)系，其中Emin~Emax(相應(yīng)于MN區(qū)間)是工作電壓的極限范圍，AB區(qū)間為可靠的工作量程范圍，它決定于模擬傳感器的輸出和V/F轉(zhuǎn)換電路的參數(shù)設(shè)計(jì)。

由于Z-元件是半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)元件，構(gòu)成V/F轉(zhuǎn)換器時(shí)，對(duì)溫度也具有一定的靈敏度，即溫度漂移。該溫度漂移具有正溫度系數(shù)，一般小于10Hz∕°C，當(dāng)環(huán)境溫度變化較大時(shí)，將引起檢測(cè)誤差。

如果該誤差在允許范圍內(nèi)，可不做溫度補(bǔ)償。如果要求檢測(cè)精度較高，特別是在高精度計(jì)量使用時(shí)，應(yīng)考慮溫度補(bǔ)償技術(shù)。

由溫漂引起的相對(duì)誤差與輸出頻率范圍(即量程)有關(guān)。若輸出頻率較高，相對(duì)誤差較小，若輸出頻率較低，則相對(duì)誤差較大。如果假定環(huán)境溫度有±10℃的變化，引起輸出頻率變化的絕對(duì)誤差為Df=100Hz，按全量程輸出頻率的平均值為f=2000Hz設(shè)計(jì)，這時(shí)由溫漂引起的相對(duì)誤差d=±0.5%/℃，可滿足一般計(jì)量精度要求。為進(jìn)一步提高計(jì)量精度，必須采取溫度補(bǔ)償技術(shù)[4]。

參考文獻(xiàn)：

[1]. 傅云鵬等，Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用-(1)Z-元件及其應(yīng)用開(kāi)發(fā)綜述，傳感器世界，2001．2

[2]. 周長(zhǎng)恩等，Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用-(2)Z-元件的研制實(shí)踐與工作機(jī)理的定性分析，傳感器世界，2001．4

[3]. 王健林等，Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用-(3)溫敏Z-元件及其應(yīng)用，傳感器世界，2001．6

[4]. 傅云鵬等，Z-半導(dǎo)體敏感元件原理與應(yīng)用-(5)Z-元件的溫度補(bǔ)償技術(shù)，傳感器世界，2001．10

The Review of Z-element - (6)
Extension of Z-element’s Characteristics and Applications

Abstract：The Z-elements possess potential ability for further development . By researching the characteristics deeply, some new application can be developed. In this paper , some new type sensitive semiconductor are introduced such as impure gold g-Si thermistor, force-Z-sensor and V/F converter, which are developed by researching the work mechanism of Z-element deeply on the basis of Z-thermistor, photo-Z-element and magnito-Z-element. These elements possess many advantages such as simpler manufacturing technique, smaller volume and lower cost. In this paper, the characteristics, typical circuits and work principles of these new products are thoroughly introduced too.

Keywords：Thermistor, Impure gold g-Si thermistor, Z-element, Force-Z-sensor, V/F converter..