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將物理量轉換成電信號的器件,按敏感對象分為光敏、熱敏、力敏、磁敏等不同類型,具有類似于人的視覺、聽覺和觸覺的功能。這類器件主要基于電子作用過程,機理較為簡單,應用比較普遍,半導體傳感器的無觸點開關應用尤廣。它們與微處理機相配合,能構成遙控、光控、聲控、工業(yè)機器人和全自動化裝置。下表列出常用的物理效應。

化學敏感類

將化學量轉換成電信號的器件,按敏感對象可分為對氣體、濕度、離子等敏感的類型,具有類似于人的嗅覺和味覺的功能。這類器件主要基于離子作用過程,機理較為復雜,研制較難,但有廣闊的應用前景。通常利用的化學效應有:氧化還原反應、光化學反應、離子交換反應、催化反應和電化學反應(固體電解質濃淡電池反應)等。

生物敏感類

將生物量轉換成電信號的器件,往往利用膜的選擇作用、酶的生化反應和免疫反應,通過測量反應生成物或消耗物的數量達到檢測的目的。生物敏感傳感器所用的敏感功能材料是蛋白質,而蛋白質分子只能同特定物質起化學反應。通常利用的生物學效應有抗原抗體反應、酶作用下的氧化反應、微生物活組織和細胞的呼吸功能等。

semiconductor sensor

利用半導體性質易受外界條件影響這一特性制成的傳感器。

根據檢出對象,半導體傳感器可分為物理傳感器(檢出對象為光、溫度、磁、壓力、濕度等)、化學傳感器(檢出對象為氣體分子、離子、有機分子等)、生物傳感器(檢出對象為生物化學物質)。

光傳感器 根據光和半導體的相互作用原理制成的傳感器。通過在半導體中摻進雜質可以在禁帶中造成新的能級,可以人為地將光的吸收移至長波范圍。

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

溫度傳感器

一般隨溫度的上升,半導體中載流子濃度增加、電阻降低。利用這種效應可以制成熱敏電阻。由于半導體載流子濃度與溫度有關,還會產生顯著的塞貝克效應。當P 型半導體兩端存在溫度差墹T,熱端的空穴濃度大,因此空穴向冷端擴散,并在此端產生正的空間電荷場(圖2)。這個電壓(塞貝克電壓uS)約為150μV/K。對N型半導體,圖2 中載流子為電子,冷端連接點為負。因此,同時使用P型與N型半導體電偶的uS可達300μV/K,比金屬的uS(40μV/K)大一個數量級。

半導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結型兩種。

隨著溫度的變化,半導體感溫器件電阻會發(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,分為負溫度系數(NTC)熱敏電阻、正溫度系數(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結溫度傳感器是一種利用半導體二極管、三極管的特性與溫度的依賴關系制成的溫度傳感器。非接觸型溫度傳感器可檢出被測物體發(fā)射電磁波的能量。傳感器可以是將放射能直接轉換為電能的半導體物質,也可以先將放射能轉換為熱能,使溫度升高,然后將溫度變化轉換成電信號而檢出。這可用來測量一點的溫度,如測溫度分布,則需進行掃描。

當對象溫度低、只能發(fā)射紅外線時,則須檢出其紅外線(見光電導探測器)。

磁傳感器 磁傳感器主要基于霍爾效應和磁阻效應的原理。利用霍爾效應的器件稱為霍爾器件。當施加磁通B 時,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,所以半導體的磁阻效應很大。

半導體磁傳感器體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高、壽命長,在電子學領域得到應用。此外,還可利用磁效應制作長度與重量傳感器、高分辨(0.01度)的傾斜傳感器,以及測定液體流量等。

壓力傳感器

半導體在承受壓力時禁帶寬度發(fā)生變化,導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截面積減小引起的電阻變化要大兩個數量級。因此半導體壓力傳感器具有高靈敏度。將 P型半導體與 N型半導體組合使用還可制成靈敏度更高的壓力傳感器。擴散型半導體壓力傳感器采用集成電路工藝制成,可以提高性能,改進測量的精度。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。

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

濕度傳感器

當半導體表面或界面吸附氣體分子或水分子時,半導體表面或界面的能帶發(fā)生變化。利用這種半導體電阻的變化可檢測氣體或濕度。半導體濕度傳感器具有體積小、重量輕的特點,實用的有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空調,可精密控制濕度,與微機結合能自動去濕,節(jié)省電能。TiO2-V2O5系陶瓷濕度傳感器耐熱性好,可測量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物蒸氣時的濕度測量。

氣體傳感器

利用半導體與氣體接觸時電阻或功函數發(fā)生變化這一特性檢測氣體。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,有多孔燒結件、 厚膜、 薄膜等形式。根據半導體與氣體的相互作用是發(fā)生在表面還是體內,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半導體材料的傳感器。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時引起的功函數變化來檢測氣體。它可分為金屬-半導體結二極管型傳感器(利用金屬與半導體界面上吸附氣體時,二極管整流特性的變化)、MOS二極管型傳感器(采用MOS結構,通過C-V特性的漂移檢測氣體)和MOS FET型傳感器(通過MOS FET的閾值電壓變化檢測氣體)。

半導體氣體傳感器靈敏度高,可用于可燃氣體防爆報警器,CO、H2S等有毒氣體的監(jiān)測器。通過穩(wěn)定性研究,一些傳感器可用于氣體濃度的定量監(jiān)測。半導體氣體傳感器在防災、環(huán)境保護、節(jié)能、工程管理、自動控制等方面有廣泛的應用。

離子傳感器

半導體離子傳感器體積很小,能直接插入生物體內進行連續(xù)測量,隨時監(jiān)視患者的病情。

半導體表面的電阻隨垂直于表面的電場變化。利用這種場效應制成的絕緣柵場效應晶體管 (IGFET)可作為化學傳感器。而在測量離子時,即稱為離子靈敏場效應晶體管(ISFET)。ISFET的柵絕緣層表面只對特定的離子產生響應并形成離子感應層。這種界面電位的變化通過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大的問題,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(見場效應化學傳感器)。ISFET可用來測量H+、Na+、K+、Ca++、Ag+、NH嬃等陽離子和F-、Cl-、Br-、I-、CN-等陰離子,還可制成復合ISFET(即同一 ISFET可測幾種不同的離子)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構可以檢出復雜的生物化學物質。這種傳感器用于醫(yī)療、食品、醫(yī)藥、環(huán)境保護等方面。例如,在臨床化學檢查中,用固定酵素作電極的方法對血液中葡萄糖、淀粉酶、甲胍乙丙脂、尿素、尿酸進行分析,迅速而又簡便。生物傳感器正向檢測更復雜的生物關聯物質、免疫物質、細胞和微生物的方向發(fā)展。

采用集成化技術,將半導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象的具有復合功能的半導體傳感器器件。已出現單片集成傳感器和混合集成傳感器,將傳感器與微處理機相結合可以制成具有自動補償功能和預知判斷功能的智能化器件。

半導體傳感器優(yōu)點是靈敏度高、可靠性好、可實現多功能、 小型化、 智能化,缺點是多感性、選擇性差、在極限狀態(tài)下(例如高溫)不能使用。針對結晶型半導體傳感器的不足,人們正在研究無定形半導體傳感器。

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、預報和自動控制, 氣敏元件是以化學物質的成分為檢測參數的化學敏感元件。

材料

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

工作原理

1、敏感材料的功函數<吸附分子的電子親和力→吸附分子從材料中奪取電子(負離子吸附、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>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(到200~450℃),同時加熱還能使附著在測控部分上的油霧、塵埃燒掉。

類型及結構

1、電阻型半導體氣敏傳感器

由三部分組成:敏感元件、加熱器和外殼燒結型、薄膜型、厚膜型

2、非電阻型半導體傳感器

MOS二極管氣敏器件

MOS場效應晶體管氣敏器件

濕度的分類:絕對濕度和相對濕度

1、絕對濕度: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量,單位g/m3,一般用符號AH表示。

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

在實際使用中多使用相對濕度這個概念。

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,其溶液中的離子導電能力與濃度成正比。當溶液置于一定溫濕場中, 若環(huán)境相對濕度高, 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)境相對濕度變低時, 則溶液濃度升高, 其電阻率下降.見圖:

陶瓷濕敏電阻

1、用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結而成的多孔陶瓷。

導電機理:類似氣敏電阻

2、一般有兩種:

Ⅰ:負特性濕敏半導體陶瓷:電阻率隨溫度增加而下降水分子中的氫原子具有很強的正電場,當水在半導瓷表面吸附時,有可能從半導瓷表面俘獲電子,使半導瓷表面帶負電。對于P型半導體,將吸引更多的空穴到達其表面,使其表面層的電阻下降。

Ⅱ:正特性濕敏半導體陶瓷:電阻率隨溫度增加而增大當水分子附著半導瓷的表面使電勢變負時,導致其表面層電子濃度下降。

對于用半導體硅制造的光電二極管, 在受光照射時, 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)價帶中的電子躍遷到導帶而產生一對電子-空穴。

光在半導體中傳播時的衰減是由于價帶電子吸收光子而從價帶躍遷到導帶的結果, 這種吸收光子的過程稱為本征吸收。

不同材料對不同波長的光吸收程度不一樣。對硅而言,波長短的光子衰減快, 穿透深度較淺, 而波長長的光子則能進入硅的較深區(qū)域。

淺的P-N結有較好的藍紫光靈敏度, 深的P-N結則有利于紅外靈敏度的提高, 半導體色敏器件正是利用了這一特性。

工作原理

依據:半導體中不同的區(qū)域對不同的波長分別具有不同的靈敏度。

在具體應用時, 應先對該色敏器件進行標定。

測定不同波長的光照射下, 該器件中兩只光電二極管短路電流的比值ISD2/ISD1, (ISD1是淺結二極管的短路電流, 它在短波區(qū)較大, ISD2是深結二極管的短路電流, 它在長波區(qū)較大)。

確定二者的比值與入射單色光波長的關系。

根據標定的曲線, 實測出某一單色光時的短路電流比值, 即可確定該單色光的波長。 ?

基本特征

光譜特性

短路電流比-波長特性

溫度特性

2、色敏傳感器