zPUs6LtHHJ

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

___________________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В. И. Ульянова (Ленина)

__________________________________________________________________

А. Д. СМИРНОВ

МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ДАТЧИКИ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Учебное пособие

Санкт-Петербург Издательство СПбГЭТУ «ЛЭТИ»

2016

1

УДК 621.384

ББК 3 965-044.3

С50

С50 Смирнов А. Д. Микроэлектронные датчики физических величин: учеб. пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2016. 40 с.

ISBN 985-5-7629-1825-1

Рассматриваются физические принципы работ первичных преобразователей (сенсоров) физических величин в электрический сигнал, изготовление сенсоров методами микроэлектронной технологии и основные применения их в науке и технике

Предназначены студентам, обучающимся по направлению 11.03.04. «Электроника и наноэлектроника».

Рецензенты: кафедра электротехники и электроэнергетики СПбПУ; канд. техн. наук, В. А. Клевцов (ПАО «Светлана»).

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

2

ВВЕДЕНИЕ

Бурное развитие микроэлектроники в период 80–90-х гг. прошлого века определило технический облик современного общества. В свою очередь, достижения микроэлектронной технологии послужили толчком в развитии еще двух областей, которые будут определять прогресс нашей цивилизации в ближайшее десятилетие: информационных технологии (ИТ) и микромеханической системы (МЭМС). ИТ обеспечивает связи внутри человеческого сообщества, а МЭМС позволяет связать информационные системы с внешним материальным миром.

По Винеру, информационно-управляющая система (рис. 1) состоит из объекта управления 1, сенсорной подсистемы 2, подсистемы анализа и при-

личительной особенностью которой является унификация аппаратурных решений, их инвариантность к техническим областям вне зависимости от структуры систем (безразлично чем управлять), и свои функции она выполняет с использованием ограниченного количества типов микропроцессоров.

Эволюционные пути подсистем 4, 2 очень разнообразны. Для информа- ционно-управляющей системы на сегодняшний день практически выполнена первая фаза – создание микроэлектронной элементной и фундаментальной баз. Теперь настала очередь для унификации технологических реализаций подсистем 4, 2.

В настоящее время МЭМС переживает свой расцвет, используя наработки микроэлектроники, новые материалы и новые подходы. В учебном пособии основное внимание уделено сенсорной подсистеме. Рассмотрены конструкции и способы изготовления чувствительных элементов методами микроэлектронной групповой технологии.

Датчики – общее определение микромеханических преобразователей физических величин, чувствительным элементом в которых является сенсор.

3

Сенсор – устройство, чувствительное к воздействию на него определенного явления физического мира. Природа этого явления может быть различного происхождения. Именно «чувствительность» сенсоров позволяет им быть «сборщиками» информации об окружающем мире. Количественная оценка меры воздействия на чувствительный элемент позволяет строить адекватную модель реального мира. Интеграция сенсоров в единую систему, связанную с системой анализа, делает их интеллектуально-информационной системой, способной отслеживать любые изменения окружающей среды.

Сразу отметим, что при создании датчиков используются достижения многих областей науки и техники: механики, физики, оптики, химии, биологии, информатики, микроэлектроники, вычислительной техники. Разработчик таких устройств должен обладать обширными научными познаниями, быть способным к интеграции сенсоров различной природы в одном приборе с целью увеличения его функциональных возможностей.

Прежде чем приступить к знакомству с технологией сенсорных устройств, введем основные понятия и метрологические характеристики первичных преобразователей.

Датчик – устройство, выходные параметры которого являются функцией конкретной измеряемой физической величины (рис. 2).

m = m j.

Единицы измерения S определяются природой датчика (Ом/ оС – терморезистора, мВ/(В.кПа) – тензодатчиков давления).

Другим очень важным параметром датчика является линейность преобразовательной характеристики в диапазоне измеряемых величин. Система

4

линейна, если в заданном диапазоне преобразовательной характеристики чувствительность сенсора не зависит от значения измеряемой величины. При этом приращение выходного сигнала пропорционально изменению измеряемой величины. Линейность определяется как

γ = (U1 −U3 )− 2(U2 −U3 ) 100 ,

2U1

где U1, U2, U3 – значения выходного сигнала в начале, в середине и в конце диапазона измеряемых величин (m) и выражается в процентах.

При отклонении от линейности преобразовательной характеристики последнюю приходится линеаризировать, включая устройства коррекции, что вносит погрешность в измерение физических величин. В принципе линеаризация необязательна: это делается только для удобства пользователя. В настоящее время изготавливаются процессоры, отслеживающие любой закон изменения измеряемой величины, включая многопараметрические изменения.

Наличие гистерезиса измеряемой величины в диапазоне ее изменения

характеризуется вариацией δ, выражаемой в процентах: δ = U ↑ −U ↓ 100 ,

Umax

где U ↑, U ↓ – значения выходного сигнала, соответствующего одному и тому же значению измеряемой физической величины при приближении к ней со стороны больших и меньших значений, а Umax – выходной сигнал при

верхнем значении измеряемой величины.

Общей характеристикой различных датчиков является быстродействие, связанное с переходными процессами преобразования измеряемой величины в считываемый сигнал. Оно определяется временем нарастания выходного сигнала до определенного уровня (0,9Umax ).

Кроме перечисленных параметров датчики характеризуются стабильностью выходного сигнала во времени, в температурном диапазоне, надежностью, сроком службы и рядом частных требований, например селективностью в газоанализаторах. Но основными параметрами первичных преобразователей являются чувствительность, линейность преобразовательной характеристики и вариация (отсутствие гистерезиса).

В общем виде датчик представляет собой устройство, состоящее из активного (чувствительного) элемента, который либо непосредственно

5

преобразует контролируемую физическую величину в другой вид энергии, либо меняет свои параметры под ее воздействием. Блок-схема любого коммерческого датчика представлена на рис. 3.

Вторичный преобразова- тель сигнала Регистрирующее устройство

(средство индикации)

Рис. 3. Блок-схема коммерческого датчика

В дальнейшем будут рассматриваться только физические принципы работы и технологии изготовления блока I и блока II.

ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ

Видимая область оптического излучения занимает довольно узкий диапазон электромагнитных колебаний и имеет различное распределение по спектральным составляющим. Исходя из этого разрабатываются различные приемники оптического (видимого) излучения.

К оптическим датчикам относятся устройства, изменяющие параметры излучения под воздействием контролируемой физической величины: различного типа фотоприемники, фоторезисторы, фотодиоды (внутренний фотоэффект) и фотоэмиттеры (внешний фотоэффект). Устройства на основе таких активных элементов характеризуют (контролируют, измеряют) излучение оптического диапазона, включая ИК и УФ.

Фоторезистор является одним из самых простых и чувствительных датчиков оптического излучения. Основной принцип его работы заключается в изменений сопротивления чувствительного слоя под воздействием оптического излучения. В зависимости от интенсивности светового потока сопротивление может меняться в широких пределах (рис. 4).

Спектральная чувствительность определяется материалом резистора. Так, CdS обладает максимальной чувствительностью в зеленой области спектра (500 нм); CdSe – в красной (720 нм); а PbS/PbSe – в ИКобласти.

6

R, Ом

109

106

поддержки I0 (темнового тока) постоянным и I0 << Ip , а чувствительность –

выражением S = ∆I∆Φ = γ(Uα)Φγ−1 , где U – напряжение питания. Статический коэффициент преобразования потока излучения известного

спектрального состава определяется выражением IΦ = (UФ).

7

Статическая чувствительность датчика рассчитывается по формуле

S = Ip Φ.

Из приведенных выражений следует:

1.Фоторезистор является нелинейным датчиком, и его чувствительность уменьшается с ростом потока излучения, кроме частного случая γ 1.

2.Чувствительность пропорциональна приложенному напряжению (при очень хорошем теплоотводе I0 << Ip или малых напряжения, когда само-

разогрев несущественен).

Достоинство фоторезистивных датчиков – высокие значения статического коэффициента преобразования и чувствительности, что позволяет использовать простые схемы.

Недостатки фоторезистивных датчиков – нелинейность, ограниченная полоса пропускания, старение и сильная температурная зависимость. Применяются такие датчики в областях, не требующих высокой прецизионности

(свет – темнота, наличие или отсутствие света и т. д.).

На рис. 6, а показан датчик оптического излучения в корпусе, а на рис. 6, б кристалл фоторезистора.

При управлении реле (рис. 7, а) фоторезистор либо открывает, либо закрывает диод. В схеме с мостом Уинстона управление происходит за счет разбаланса схемы при облучении фоторезистора световым потоком.

Схемы включения датчика показаны на рис. 7.

8

Работа фотодиода основана на внутреннем фотоэффекте. Как известно,

переход располагался как можно ближе к поверхности (уменьшение поглощения света), облучаемая поверхность была бы как можно больше, и концентрация неосновных носителей была бы невелика, т. е. необходимо использовать высокоомные материалы типа p–i–n-структур (ρ ~ 20кОм см). В качестве материалов для фотодиода используются Si и Ge для видимой и ближней ИК-областей, GaAs и тройные соединения – для ИК-области. Возможны два варианта работы (использования) фотодиода – в диодном и в гальваническом режимах. В диодном режиме измеряется фототок, а в фотогальваническом – напряжение холостого хода (высота барьера ~ 0,1…0,6 В, которую измеряют на выходах фотодиода). Ток короткого замыкания на малой нагрузке (R << Rd ) пропорционален потоку (n 10мкА).

Во всех случаях для получения линейной зависимости и высокой чувствительности темновой ток должен быть пренебрежимо мал. Обычно I0 ~ nА, но этот ток быстро возрастает при росте температуры. Чувствительность определяется так же, как и для фоторезисторов, выражением ∆I∆Φ. При λ = const линейность охватывает 5-6 порядков величин по све-

товому потоку.

Принципиальной особенностью для фотодиодов на основе различных полупроводниковых соединений является то, что они способны реагировать на свет с длиной волны, лежащей только в определенном диапазоне. Этим определяется их селективность.

9

Ip = qnn(1− R)λ Φ0 exp(−αx) и Us = RmIp . hc

В фотогальваническом режиме (рис. 9, б) без источника питания (темновой ток отсутствует) при Rm << Rd (КЗ)Ip ~ Φexp(−αx) – зависимость вы-

ходного сигнала либо логарифмическая, либо линейная.

На внутреннем фотоэффекте работают также фоторезисторы (освещается база либо подзатворная область у полевых транзисторов) и лавинные фо-

дов обладают высоким быстродействием. Это связано с тем, что напряженности поля на обратно смещенном p–n-переходе очень велики

(~ 104...105 Всм). В таких полях дрейфовая скорость электронов vдр не зави-

сит от их значения и составляет ~ 107 смс.

10