阻抗传感器 MOSFET理解与应用：输入阻抗和输出阻抗的概念

发布时间：2024-11-25 08:11:22

MOSFET理解与应用：输入阻抗和输出阻抗的概念

1、为什么要引入输入阻抗和输出阻抗这两个参数？

一个放大器像之前介绍的那样如图Fig. 1，V_s,in 是我们要来放大的小信号，通过小信号模型就可以求出放大倍数，得到V_s,out，用一个放大倍数不就能说明这个器件的作用了吗？那为什么还要引入输入阻抗和输出阻抗这个概念呢？有什么用呢？

Fig. 1

这是因为实际的信号源V_s,in是有内阻的，输出端V_out的负载阻抗也不是无穷大，需要挂一个负载阻抗。内阻和负载阻抗都会影响放大器的原有放大倍数，使原有的放大倍数打了折扣，这个折扣就需要用这个放大器本身的输入阻抗和输出阻抗来评估。

Fig. 2

如图Fig. 2为一个抽象的放大器原理图，作用是放大麦克风的信号给扬声器输出，原本的放大倍数是A_v=10。当考虑麦克风的内阻，和扬声器的负载阻抗时，放大倍数又是多少呢？假设图中参数Rin = 2komhs，Ramp=10omhs。

2、输入阻抗和输出阻抗的概念

这里有以下几点需要记住：

① 输入阻抗就是从输入端口看进去的放大器的阻抗，可以认为是前级电路的负载。输出阻抗就是从输出端口看进去的放大器的阻抗，可以认为是后级电路的内阻。（这句话请重点理解）

② 从图Fig.2和我们推导的公式可以看出，对于电压信号来说，输入阻抗越大越好，输出阻抗越小越好。但是对于电流信号而言，恰恰相反，因为阻抗表示对电流的阻碍，输入阻抗越大，流入放大器的电流就越小，输出端也是同样的道理（这里需要用诺顿等效电路来代替Fig. 2中的输出电路）

③对于感知电压信号的电路而言，既然输入阻抗越大越好，那我们把输入阻抗设计的无限大，岂不是最好？当然不是，因为当输入阻抗很大时，输入电流就非常小，那么这个路径上的电流就非常容易受到干扰（串扰，辐射）。所以输入输出阻抗都需要设计一个合适的值。

3、输入阻抗和输出阻抗的求解方法

① 输入阻抗：将输入端口后面的电路用黑盒子表示，黑盒子内部的所用独立源置零（电压源短路，电流源开路），输出端断开，输入端口两端加电压源，求出Vx和Ix的比值，就是R_in

Fig. 3

① 输出阻抗：讲输出端口前面的电路用黑盒子表示，黑盒子内部的所用独立源置零（电压源短路，电流源开路），输入端短路，输出端口两端加电压源，求出Vx和Ix的比值，就是R_out

Fig. 4

为什么在求R_in时要将输出端口断开呢？因为输出端是测试端，我们需要测试输出端的电压，理想情况下负载阻抗无穷大。为什么在求R_out时要将输出端口短路呢？因为实际电路中输入端是要加电压源的，根据戴维南等效定理，求等效阻抗时电压源要短路。

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一种用于测量湿度的纳米多孔薄膜微型交叉电容阻抗传感器

文丨九万

编辑丨九万

引言：

湿度检测 一直在汽车工业、食品加工、气象学、半导体技术、土木工程、医疗保健、工业和农业生产、环境保护等领域中都是一项重要任务。

我们今天研究了一种低成本微型湿度传感器的开发，该传感器在石英基板上采用平行连接的铝电极交叉排列，使用光刻法制备了交叉电容装置。

铝电极覆盖有敏感薄膜，该薄膜是通过新型溶胶-凝胶技术制备的纳米多孔γ-Al2O3薄膜。纳米结构薄膜具有非常高的表面积与体积比，带有分布的微孔用于湿度检测 。

通过场发射电子显微镜和X射线衍射方法研究了薄膜的孔隙形态。使用Agilent4294A阻抗分析仪在室温下研究了微型电容湿度传感器对相对湿度的阻抗测量。该装置具有较短的响应和恢复时间以及良好的重复性 。

一、简介

传统的湿度测量技术包括机械式、冷镜湿度计、湿干球湿度计、红外（IR）光吸收湿度计、电容式和阻抗式湿度计 。还采用了基于光纤的各种技术，例如直接光谱法、腐蚀波法、光纤光栅和干涉法，用于湿度感测 。

随着技术的改进，对基于电子电路的低成本、可靠、快速响应和紧凑型设备的需求增加。持续的努力已经致力于湿度传感器的研究和开发，以改善感测特性并使其尺寸更小。

最近，声表面波（SAW）湿度传感器因其具有高灵敏度、小尺寸、集成电子电路、易于实现的无线通信等优势 ，而受到研究人员的关注。

涂有吸湿材料的SAW传感器具有出色的微型湿度传感器特性，具有高灵敏度和快速响应（几秒钟），可实时测量宽动态范围内的湿度。

主要有三种工作机制有助于传感器输出：负载质量、声电效应和粘弹性效应 。每种机制都可以有效控制，制造出精确的低成本湿度传感器。

SAW传感器 还具有优势，它可以避免在干燥的大气中检测到很高的阻抗 ，这是阻抗式湿度传感器遇到的问题。

众所周知，SAW湿度传感器通常具有较高的工作频率，以便更小且更敏感 。然而，这在制备具有非常小的感测面积且适当厚度的均匀湿度敏感薄膜时会造成问题。否则，可能会增加传感器制备的成本并影响批量生产的一致性。

在过去的几年里，已经开发出一种不同类型的SAW阻抗传感器，用于湿度测量或其他应用。由于γ-Al2O3在化学、热学和机械方面具有高度稳定性，这种纳米多孔金属氧化物将适用于湿度测量。

可以通过化学阳极氧化、模板和低温溶胶-凝胶法制备纳米结构。可以调整孔隙形态，以制造适用于从微量湿度到百分比相对湿度的不同工作范围的湿度传感器。

在最近的过去，我们研究了使用这种材料进行微量和相对湿度级别测量的几项工作。一些工业应用的商用露点仪，采用了基于薄膜多孔氧化铝的电容技术 。

在这项研究中，我们制备了一种交叉电容阻抗湿度传感器。我们采用标准的光刻工艺制备了一个带有γ-Al2O3敏感薄膜的300MHz延迟线的交叉电容装置。每个交叉的铝电极（IDT）都被沉积在基板上。

敏感薄膜通过γ-Al2O3溶胶-凝胶溶液的浸涂涂覆在电极上。由于在交叉电容装置上的敏感薄膜形成了一个交叉电容湿度传感器 ，我们进行了实验以观察阻抗型传感器的湿度响应，结果显示出良好的响应。

还检查了敏感薄膜对传感器灵敏度、重复性和响应时间的影响。所提出的交叉电容传感器体积小巧，可以使用现有的集成电路制造技术进行批量制造，具有相同的特性。此外，感测薄膜的材料需求非常小。因此，可以低成本制造该设备。

二、γ-Al2O3的溶胶溶液与微观结构

我们通过水解铝丁醇酸酯（C12H27AlO3）和水的混合溶液，并随后通过加入浓盐酸（HCl）酸来胶束化胶体溶液，制备了γ-Al2O3的涂层溶液。然后，将溶液回流，并加入粘结剂聚乙烯醇。

为了确定γ-Al2O3的孔隙形态，我们通过浸涂法在ST-X石英基板上制备了一薄膜，并在400°C下烧结了4小时。

通过X射线衍射（XRD） 和场发射电子显微镜（FESEM） 对γ-Al2O3纳米结构薄膜的形态进行了表征。XRD图的主要目的是在石英基板上确认γ-Al2O3薄膜的形成。

图1(a)显示了在石英基板上沉积的γ-Al2O3薄膜的XRD结果，而图1(b)显示了在氧化铝基板（α）上沉积的γ-Al2O3薄膜的XRD结果。图1(c)显示了仅有石英基板且没有薄膜的XRD结果。

当我们在石英上制备γ-Al2O3薄膜时，XRD峰在2θ=50°处获得。然而，纯石英材料（没有γ-Al2O3薄膜）的XRD峰在2θ=28°处获得。这项研究证实了在石英基板上形成了γ-Al2O3薄膜。

（图1.(a)在石英基板上XRD结果(b)在氧化铝基板XRD结果(c)没有任何薄膜的石英基板的XRD结果）

图2显示了样品多孔结构的FESEM低放大倍率图像（比例尺=100纳米），这表明孔隙基本上呈球形，表面光滑 。借助高分辨率（432.390K倍）的FESEM，我们测量了孔径大小。

我们观察到孔隙大小分布在5-10纳米的范围内，如照片所示。孔隙大小的测量是通过FESEM仪器提供的软件进行的。平均孔径大小约为10纳米。

（图2.沉积在石英基板上的γ-Al2O3薄膜的纳米多孔结构的场发射扫描电子显微图）

1.传感器的制造过程

电容阻抗传感器的性能取决于（i）电极的形状和尺寸，（ii）设备上无裂缝的γ-Al2O3薄膜，（iii）薄膜的厚度，以及（iv）膜的均匀性。

采用光刻工艺，在具有零延迟温度系数的ST切割石英基板上制造了一个带有300MHzSAW延迟线装置的交叉电极。

在制造电容装置时，使用了直径为3英寸，厚度为500微米的圆形石英基板。在适当清洁基板后，使用热蒸发技术进行了铝（99.999%纯）金属化。

使用湿法蚀刻工艺在石英基板上得到了铝电极IDE（交叉数字电极） 。然后对基板进行了切割和封装。

IDE的尺寸为1.31微米×0.2微米（电极指宽×铝厚），电容芯片尺寸为5毫米×8毫米×0.5毫米。相邻两个电极指之间的间隙为1.31微米。为确保设备的稳定性，将设备封装在金属外壳中。

为了在电极和质量加载区域上沉积敏感薄膜，将设备用IDE两次浸入溶胶溶液中 。覆盖有敏感膜的设备电极在烤箱中在400°C下烧结了4小时。

薄膜的厚度已经优化，以提高其灵敏度。使用SOPRA光学椭圆测量系统对γ-Al2O3薄膜进行了表征以进行厚度测量。膜厚度在几百纳米范围内（约200纳米）。图3显示了交叉电容湿度传感器的照片。

（图3.薄膜交叉电容湿度传感器的照片）

三、传感器特性的确定

1.实验设置

为了在不同浓度的氮气中获得传感器对湿度的快速、准确和可靠的响应，我们采用了基于计算机的数据采集系统 。传感器放置在一个近50毫升体积的矩形钢测试腔内。传感器腔与商用Honeywell湿度计串联连接。

通过将干燥氮气通过水蒸气，获得含湿度的氮气 。干燥N2气中的残余湿度量少于4ppm。腔内的湿度水平由精密针阀控制，并由校准的商用湿度计测量。商用计的准确度约为±2%RH。

湿气气体中的湿度水平在25°C的室温下变化在20-97%RH的范围内。传感器的引线连接到一个阻抗分析仪。阻抗分析仪通过数据采集系统与PC连接。传感器被交流信号激励，信号振幅为500毫伏（有效值），频率为1千赫。

这里操作频率用于设计一个IDE的电极指宽度，也就是实验中位于感测膜下方的IDE用作电容传感器。对于电容湿度传感，低信号频率的1千赫对于高灵敏度是有利的 。

在室温下进行实验，以检查传感器参数，如：（i）电容响应，（ii）耗散因子（D），（iii）阻抗响应（Z），（iv）响应和恢复时间的瞬态响应，以及（v）传感器响应输出的重复性。

2.传感器的电学特性

电容变化随湿度变化的情况如图4所示。电容值随着湿度的增加而增加，如果信号频率增加，电容随湿度变化的幅度会变小 。

（图4.在20-97%RH范围内，薄膜电容传感器随湿度变化的电容变化）

电容器的耗散因子如图5所示。传感器阻抗随%RH变化的情况如图6所示。由于该薄膜是由金属氧化物制成的，在低湿度下显示出非常高的阻抗，而随着湿度的增加，它迅速减小 。

（图5.在20-87%RH范围内，耗散因子（D）随湿度变化的变化）

响应时间和恢复时间是传感器的另两个重要参数，可以从瞬态响应曲线中确定。

响应时间是电容传感器将输出从最大值的10%变化到90%所需的时间，而恢复时间是传感器从90%的输出返回到初始值的10%所需的时间。对于实时应用，这些参数应尽可能小。

（图6.传感器对湿度从20-97%RH的增加的阻抗（Z）响应）

图7显示了在湿度从87%变化到20%的瞬态响应曲线。响应时间和恢复时间分别约为15秒和75秒。传感器输出在多个周期内对于相同湿度变化的重复性如图8所示。只测试了制造在石英上的电容式湿度传感器，它们的重复性非常好，值接近100%。

（图7.传感器对湿度从20%变化到87%的瞬态响应）

（图8.传感器在湿度从20%变化到87%的输出重复性变化）

四、结果与讨论

表1总结了微型电容传感器的实验结果。图4显示了薄膜传感器的电容随湿度变化的情况。电容值一开始单调增加，但在50%以上的值变化急剧 。电容变化在50-80%RH范围内几乎是线性的，而在80%RH以上会缓慢增加。

（表1.传感器的电气特性。）

当传感器暴露在湿度下时，水蒸气分子首先吸附在表面，然后在纳米孔中凝结，导致介电常数有效变化 。但由于感测区域非常小，在较低湿度下电容变化很小，而湿度增加时，足够的水蒸气分子在多孔层中凝结，导致介电常数大幅变化。

此外，在高于80%的较高湿度下，许多孔已经填满或几乎填满，导致介电常数变化较小。图6显示了传感器在湿度增加时的阻抗响应。阻抗变化是由于电容电抗变化以及吸附水的导电性变化。

最初，水分子在化学上被吸附，然后在化学吸附层上物理附着。电抗减少是由于电容增加，电导性增加是由于传感器中的质子（H+）浓度增加 。吸附的OH-离子为质子跳跃提供了便捷的路径。

此外，指之间的小间隙在阻抗急剧变化中起着重要作用。由于感测层非常薄，响应更快，滞后误差几乎可以忽略不计。

滞后是任何基于吸附和解吸现象工作的湿度传感器的问题之一。滞后误差是由于水分子的不完全吸附和解吸引起的，对于良好的传感器，滞后误差应尽可能小。

滞后误差取决于孔隙形态和感测层的厚度 。由于传感器基于金属氧化物的薄膜，输出漂移相对较小。传感器的瞬态响应如图7所示，传感器显示出非常快速的响应时间（15秒）。

响应行为受孔隙形态的影响，而孔隙形态受孔的平均尺寸、孔的分布、多孔层的厚度以及感测膜的稳定性所控制。孔隙形态在多孔矩阵中的水凝结中起着重要作用。

由于入射湿气团的自由平均路径和尺寸随湿度浓度变化而变化，与平均自由路径相当的最佳孔径对于湿度传感是有利的 。响应还取决于信号频率，这与湿度的取向损耗有关。图9显示的交叉电容CIDT的结构。

（图9.电容阻抗传感器的交叉电极结构）

由于a（电极之间的间隙）与C3呈反比关系，减小电极之间的间隙或增加指数（实际感测区域）可能会增加对较低湿度范围的灵敏度。传感器系统的可靠性如图8所示。

由于我们的电容式湿度传感器已经在相同湿度下进行了多次测试，并且在每个循环中都给出相同的输出，因为涂有γ-Al2O3薄膜的电容装置非常稳定，传感器系统的重复性非常好。

γ-Al2O3薄膜在热稳定性方面非常高，因此环境温度变化的影响可以忽略不计 。

结论：

今天的实验中，我们制备了一种使用纳米多孔氧化铝薄膜的微型交叉电容装置，用于湿度感测。湿度感测膜是通过溶胶-凝胶技术制备的。

由于传感器上的交叉电容电极上的感测膜形成了交叉电容阻抗传感器，我们进行了初步实验，研究了在氮气中湿度从20%变化到97%时的阻抗响应。

实现的特性适用于将传感器用于测量所规定范围内的湿度。响应特性显著，快速且高度可重复。然而，通过增加交叉电容电极和传感器的感测膜的面积，可以在较低湿度范围内提高灵敏度 。实际感测面积仅为5mm×8mm。

参考文献：

1.《基于水凝胶膜中环境敏感荧光团的相对湿度传感器》，科学之网，斯特鲁尔森，2011年

2.《基于声表面波的掺镓氧化锌薄膜湿度传感特性传感器致动器》，谷歌学术，钟，2010年

3.《新型钌多吡啶配合物的湿敏性能传感器致动器》，科学之网，奥卡科格鲁，2010年

4.《测量低相对湿度的低成本传感器的研究》，谷歌学术，加利皮奥，1995年

5.《基于聚合物薄膜的快速声表面波湿度传感器》，科学之网，海因斯，2011年