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將物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件,按敏感對(duì)象分為光敏、熱敏、力敏、磁敏等不同類型,具有類似于人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)的功能。這類器件主要基于電子作用過(guò)程,機(jī)理較為簡(jiǎn)單,應(yīng)用比較普遍,半導(dǎo)體傳感器的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)應(yīng)用尤廣。它們與微處理機(jī)相配合,能構(gòu)成遙控、光控、聲控、工業(yè)機(jī)器人和全自動(dòng)化裝置。下表列出常用的物理效應(yīng)。

化學(xué)敏感類

將化學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件,按敏感對(duì)象可分為對(duì)氣體、濕度、離子等敏感的類型,具有類似于人的嗅覺(jué)和味覺(jué)的功能。這類器件主要基于離子作用過(guò)程,機(jī)理較為復(fù)雜,研制較難,但有廣闊的應(yīng)用前景。通常利用的化學(xué)效應(yīng)有:氧化還原反應(yīng)、光化學(xué)反應(yīng)、離子交換反應(yīng)、催化反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)(固體電解質(zhì)濃淡電池反應(yīng))等。

生物敏感類

將生物量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的器件,往往利用膜的選擇作用、酶的生化反應(yīng)和免疫反應(yīng),通過(guò)測(cè)量反應(yīng)生成物或消耗物的數(shù)量達(dá)到檢測(cè)的目的。生物敏感傳感器所用的敏感功能材料是蛋白質(zhì),而蛋白質(zhì)分子只能同特定物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)。通常利用的生物學(xué)效應(yīng)有抗原抗體反應(yīng)、酶作用下的氧化反應(yīng)、微生物活組織和細(xì)胞的呼吸功能等。

semiconductor sensor

利用半導(dǎo)體性質(zhì)易受外界條件影響這一特性制成的傳感器。

根據(jù)檢出對(duì)象,半導(dǎo)體傳感器可分為物理傳感器(檢出對(duì)象為光、溫度、磁、壓力、濕度等)、化學(xué)傳感器(檢出對(duì)象為氣體分子、離子、有機(jī)分子等)、生物傳感器(檢出對(duì)象為生物化學(xué)物質(zhì))。

光傳感器 根據(jù)光和半導(dǎo)體的相互作用原理制成的傳感器。通過(guò)在半導(dǎo)體中摻進(jìn)雜質(zhì)可以在禁帶中造成新的能級(jí),可以人為地將光的吸收移至長(zhǎng)波范圍。

半導(dǎo)體光傳感器種類很多,可以通過(guò)光導(dǎo)效應(yīng)、光電效應(yīng)、光電流等實(shí)現(xiàn)光的檢出,如光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光電池等。改變結(jié)構(gòu),還可以制成具有新功能的光傳感器,例如靈敏度高和響應(yīng)速度快的近紅外檢出器件、僅在特定波長(zhǎng)范圍靈敏的器件、發(fā)光與受光器件處于同一襯底的器件、可進(jìn)行光檢出和電流放大的器件(圖1)、光導(dǎo)膜與液晶元件相結(jié)合的器件、電荷耦合器件等。

溫度傳感器

一般隨溫度的上升,半導(dǎo)體中載流子濃度增加、電阻降低。利用這種效應(yīng)可以制成熱敏電阻。由于半導(dǎo)體載流子濃度與溫度有關(guān),還會(huì)產(chǎn)生顯著的塞貝克效應(yīng)。當(dāng)P 型半導(dǎo)體兩端存在溫度差墹T,熱端的空穴濃度大,因此空穴向冷端擴(kuò)散,并在此端產(chǎn)生正的空間電荷場(chǎng)(圖2)。這個(gè)電壓(塞貝克電壓uS)約為150μV/K。對(duì)N型半導(dǎo)體,圖2 中載流子為電子,冷端連接點(diǎn)為負(fù)。因此,同時(shí)使用P型與N型半導(dǎo)體電偶的uS可達(dá)300μV/K,比金屬的uS(40μV/K)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。

半導(dǎo)體溫度傳感器分為兩類:接觸型和非接觸型。接觸型又分為熱敏電阻與PN結(jié)型兩種。

隨著溫度的變化,半導(dǎo)體感溫器件電阻會(huì)發(fā)生較大的變化,這種器件稱為熱敏電阻。常用的熱敏電阻為陶瓷熱敏電阻,分為負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻、正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻和臨界溫度電阻(CTR)。熱敏電阻一般指NTC熱敏電阻。

PN結(jié)溫度傳感器是一種利用半導(dǎo)體二極管、三極管的特性與溫度的依賴關(guān)系制成的溫度傳感器。非接觸型溫度傳感器可檢出被測(cè)物體發(fā)射電磁波的能量。傳感器可以是將放射能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體物質(zhì),也可以先將放射能轉(zhuǎn)換為熱能,使溫度升高,然后將溫度變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而檢出。這可用來(lái)測(cè)量一點(diǎn)的溫度,如測(cè)溫度分布,則需進(jìn)行掃描。

當(dāng)對(duì)象溫度低、只能發(fā)射紅外線時(shí),則須檢出其紅外線(見(jiàn)光電導(dǎo)探測(cè)器)。

磁傳感器 磁傳感器主要基于霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)的原理。利用霍爾效應(yīng)的器件稱為霍爾器件。當(dāng)施加磁通B 時(shí),電阻增加率墹R/R 可用下式表示

墹R/R∝μ2B2

式中μ為載流子遷移率。半導(dǎo)體的載流子遷移率(如InAs約為104厘米2/伏秒)比金屬(如Cu約為34.8厘米2/伏秒)大得多,所以半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)很大。

半導(dǎo)體磁傳感器體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高、壽命長(zhǎng),在電子學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。此外,還可利用磁效應(yīng)制作長(zhǎng)度與重量傳感器、高分辨(0.01度)的傾斜傳感器,以及測(cè)定液體流量等。

壓力傳感器

半導(dǎo)體在承受壓力時(shí)禁帶寬度發(fā)生變化,導(dǎo)致載流子濃度和遷移率變化。這樣引起的電阻變化比金屬絲受壓時(shí)截面積減小引起的電阻變化要大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此半導(dǎo)體壓力傳感器具有高靈敏度。將 P型半導(dǎo)體與 N型半導(dǎo)體組合使用還可制成靈敏度更高的壓力傳感器。擴(kuò)散型半導(dǎo)體壓力傳感器采用集成電路工藝制成,可以提高性能,改進(jìn)測(cè)量的精度。如加工硅單晶制成受壓膜片,在其表面用平面工藝擴(kuò)散再制成壓力規(guī),由于二者處在同一硅片上,可以減少滯后、提高精度。

使用半導(dǎo)體壓力傳感器測(cè)量生物體各部分的壓力比使用古老的脈壓、血壓測(cè)量方法,具有精度高、體積小、可在生物體自然狀態(tài)下測(cè)量和安全(微小電流)的優(yōu)點(diǎn)。

濕度傳感器

當(dāng)半導(dǎo)體表面或界面吸附氣體分子或水分子時(shí),半導(dǎo)體表面或界面的能帶發(fā)生變化。利用這種半導(dǎo)體電阻的變化可檢測(cè)氣體或濕度。半導(dǎo)體濕度傳感器具有體積小、重量輕的特點(diǎn),實(shí)用的有ZnO-Cr2O3系、TiO2-V2O5系陶瓷濕度傳感器。ZnO-Cr2O3系陶瓷濕度傳感器用于室內(nèi)空調(diào),可精密控制濕度,與微機(jī)結(jié)合能自動(dòng)去濕,節(jié)省電能。TiO2-V2O5系陶瓷濕度傳感器耐熱性好,可測(cè)量60℃以上的環(huán)境濕度,還可用于醫(yī)藥、合成纖維工廠中存在有機(jī)物蒸氣時(shí)的濕度測(cè)量。

氣體傳感器

利用半導(dǎo)體與氣體接觸時(shí)電阻或功函數(shù)發(fā)生變化這一特性檢測(cè)氣體。氣體傳感器分為電阻式與非電阻式兩種。

電阻式采用SnO2、ZnO等金屬氧化物材料制備,有多孔燒結(jié)件、 厚膜、 薄膜等形式。根據(jù)半導(dǎo)體與氣體的相互作用是發(fā)生在表面還是體內(nèi),又分為表面控制型與體控制型。表面控制型電阻式傳感器包括SnO2系傳感器、ZnO系傳感器、其他金屬氧化物(WO3、V2O5、CdO、Cr2O3等) 材料的傳感器和采用有機(jī)半導(dǎo)體材料的傳感器。體控制型電阻式傳感器包括Fe2O3系傳感器、ABO3型傳感器和燃燒控制用傳感器。這類傳感器可檢測(cè)甲烷、丙烷、氫、一氧化碳等還原性氣體,氧、二氧化氮等氧化性氣體,具有強(qiáng)吸附力的胺類和水蒸汽等。

非電阻式氣體傳感器利用氣體吸附和反應(yīng)時(shí)引起的功函數(shù)變化來(lái)檢測(cè)氣體。它可分為金屬-半導(dǎo)體結(jié)二極管型傳感器(利用金屬與半導(dǎo)體界面上吸附氣體時(shí),二極管整流特性的變化)、MOS二極管型傳感器(采用MOS結(jié)構(gòu),通過(guò)C-V特性的漂移檢測(cè)氣體)和MOS FET型傳感器(通過(guò)MOS FET的閾值電壓變化檢測(cè)氣體)。

半導(dǎo)體氣體傳感器靈敏度高,可用于可燃?xì)怏w防爆報(bào)警器,CO、H2S等有毒氣體的監(jiān)測(cè)器。通過(guò)穩(wěn)定性研究,一些傳感器可用于氣體濃度的定量監(jiān)測(cè)。半導(dǎo)體氣體傳感器在防災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能、工程管理、自動(dòng)控制等方面有廣泛的應(yīng)用。

離子傳感器

半導(dǎo)體離子傳感器體積很小,能直接插入生物體內(nèi)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量,隨時(shí)監(jiān)視患者的病情。

半導(dǎo)體表面的電阻隨垂直于表面的電場(chǎng)變化。利用這種場(chǎng)效應(yīng)制成的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (IGFET)可作為化學(xué)傳感器。而在測(cè)量離子時(shí),即稱為離子靈敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)。ISFET的柵絕緣層表面只對(duì)特定的離子產(chǎn)生響應(yīng)并形成離子感應(yīng)層。這種界面電位的變化通過(guò)FET的漏極電流變化檢出。ISFET的小型化不存在離子選擇電極電阻過(guò)大的問(wèn)題,它的輸出阻抗很小。由于界面雙電層的穩(wěn)定性,即使在濃度很低的情況下也能檢出界面電位的變化,因此具有很高的靈敏度(見(jiàn)場(chǎng)效應(yīng)化學(xué)傳感器)。ISFET可用來(lái)測(cè)量H+、Na+、K+、Ca++、Ag+、NH嬃等陽(yáng)離子和F-、Cl-、Br-、I-、CN-等陰離子,還可制成復(fù)合ISFET(即同一 ISFET可測(cè)幾種不同的離子)和FET型的參考電極(REFFET)等。

生物傳感器

改變 ISFET敏感膜或采用其他結(jié)構(gòu)可以檢出復(fù)雜的生物化學(xué)物質(zhì)。這種傳感器用于醫(yī)療、食品、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)等方面。例如,在臨床化學(xué)檢查中,用固定酵素作電極的方法對(duì)血液中葡萄糖、淀粉酶、甲胍乙丙脂、尿素、尿酸進(jìn)行分析,迅速而又簡(jiǎn)便。生物傳感器正向檢測(cè)更復(fù)雜的生物關(guān)聯(lián)物質(zhì)、免疫物質(zhì)、細(xì)胞和微生物的方向發(fā)展。

采用集成化技術(shù),將半導(dǎo)體傳感器與信息處理電路集成于同一芯片,可以增加傳感器的功能。此外,還可以在同一襯底上制作能檢出不同對(duì)象的具有復(fù)合功能的半導(dǎo)體傳感器器件。已出現(xiàn)單片集成傳感器和混合集成傳感器,將傳感器與微處理機(jī)相結(jié)合可以制成具有自動(dòng)補(bǔ)償功能和預(yù)知判斷功能的智能化器件。

半導(dǎo)體傳感器優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、可靠性好、可實(shí)現(xiàn)多功能、 小型化、 智能化,缺點(diǎn)是多感性、選擇性差、在極限狀態(tài)下(例如高溫)不能使用。針對(duì)結(jié)晶型半導(dǎo)體傳感器的不足,人們正在研究無(wú)定形半導(dǎo)體傳感器。

主要用于工業(yè)上天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)和自動(dòng)控制, 氣敏元件是以化學(xué)物質(zhì)的成分為檢測(cè)參數(shù)的化學(xué)敏感元件。

材料

氣敏電阻的材料是金屬氧化物半導(dǎo)體(分P型如氧化錫和N型如氧化鈷),合成材料有時(shí)還滲入了催化劑, 如鈀(Pd)、鉑(Pt)、銀(Ag)等。

工作原理

1、敏感材料的功函數(shù)<吸附分子的電子親和力→吸附分子從材料中奪取電子(負(fù)離子吸附、氧化型氣體),敏感材料的載流子減少-R↑,如O2 、NO等。

2、敏感材料的功函數(shù)>吸附分子的離解能→吸附分子向材料釋放電子(正離子吸附、還原型氣體),敏感材料的載流子增加-R↓,如H2、CO等。

3、為提高氣體靈敏度,一般需加熱以加快氧化還原反應(yīng)(到200~450℃),同時(shí)加熱還能使附著在測(cè)控部分上的油霧、塵埃燒掉。

類型及結(jié)構(gòu)

1、電阻型半導(dǎo)體氣敏傳感器

由三部分組成:敏感元件、加熱器和外殼燒結(jié)型、薄膜型、厚膜型

2、非電阻型半導(dǎo)體傳感器

MOS二極管氣敏器件

MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管氣敏器件

濕度的分類:絕對(duì)濕度和相對(duì)濕度

1、絕對(duì)濕度:一定溫度和壓力條件下,每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質(zhì)量,單位g/m3,一般用符號(hào)AH表示。

2、相對(duì)濕度:氣體的絕對(duì)濕度與同一溫度下達(dá)到飽和狀態(tài)的絕對(duì)濕度之比,一般用符號(hào)%RH表示。

在實(shí)際使用中多使用相對(duì)濕度這個(gè)概念。

氯化鋰濕敏電阻

1、原理:材料吸濕潮解或干化(能互逆),使器件的電阻率發(fā)生變化。

2、氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體,其溶液中的離子導(dǎo)電能力與濃度成正比。當(dāng)溶液置于一定溫濕場(chǎng)中, 若環(huán)境相對(duì)濕度高, 溶液將吸收水分, 使?jié)舛冉档? 因此, 其溶液電阻率增高。 反之, 環(huán)境相對(duì)濕度變低時(shí), 則溶液濃度升高, 其電阻率下降.見(jiàn)圖:

陶瓷濕敏電阻

1、用兩種以上的金屬氧化物半導(dǎo)體材料混合燒結(jié)而成的多孔陶瓷。

導(dǎo)電機(jī)理:類似氣敏電阻

2、一般有兩種:

Ⅰ:負(fù)特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷:電阻率隨溫度增加而下降水分子中的氫原子具有很強(qiáng)的正電場(chǎng),當(dāng)水在半導(dǎo)瓷表面吸附時(shí),有可能從半導(dǎo)瓷表面俘獲電子,使半導(dǎo)瓷表面帶負(fù)電。對(duì)于P型半導(dǎo)體,將吸引更多的空穴到達(dá)其表面,使其表面層的電阻下降。

Ⅱ:正特性濕敏半導(dǎo)體陶瓷:電阻率隨溫度增加而增大當(dāng)水分子附著半導(dǎo)瓷的表面使電勢(shì)變負(fù)時(shí),導(dǎo)致其表面層電子濃度下降。

對(duì)于用半導(dǎo)體硅制造的光電二極管, 在受光照射時(shí), 若入射光子的能量hυ大于硅的禁帶寬度Eg, 則光子就激發(fā)價(jià)帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶而產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴。

光在半導(dǎo)體中傳播時(shí)的衰減是由于價(jià)帶電子吸收光子而從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶的結(jié)果, 這種吸收光子的過(guò)程稱為本征吸收。

不同材料對(duì)不同波長(zhǎng)的光吸收程度不一樣。對(duì)硅而言,波長(zhǎng)短的光子衰減快, 穿透深度較淺, 而波長(zhǎng)長(zhǎng)的光子則能進(jìn)入硅的較深區(qū)域。

淺的P-N結(jié)有較好的藍(lán)紫光靈敏度, 深的P-N結(jié)則有利于紅外靈敏度的提高, 半導(dǎo)體色敏器件正是利用了這一特性。

工作原理

依據(jù):半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌�的波長(zhǎng)分別具有不同的靈敏度。

在具體應(yīng)用時(shí), 應(yīng)先對(duì)該色敏器件進(jìn)行標(biāo)定。

測(cè)定不同波長(zhǎng)的光照射下, 該器件中兩只光電二極管短路電流的比值ISD2/ISD1, (ISD1是淺結(jié)二極管的短路電流, 它在短波區(qū)較大, ISD2是深結(jié)二極管的短路電流, 它在長(zhǎng)波區(qū)較大)。

確定二者的比值與入射單色光波長(zhǎng)的關(guān)系。

根據(jù)標(biāo)定的曲線, 實(shí)測(cè)出某一單色光時(shí)的短路電流比值, 即可確定該單色光的波長(zhǎng)。 ?

基本特征

光譜特性

短路電流比-波長(zhǎng)特性

溫度特性

2、色敏傳感器