半導(dǎo)體傳感器

半導(dǎo)體傳感器?

semiconductor?transducer?

　　利用半導(dǎo)體材料的各種物理、化學(xué)和生物學(xué)特性制成的傳感器。所采用的半導(dǎo)體材料多數(shù)是硅以及Ⅲ-Ⅴ族和?Ⅱ-Ⅵ族元素化合物。半導(dǎo)體傳感器種類繁多，它利用近百種物理效應(yīng)和材料的特性，具有類似于人眼、耳、鼻、舌、皮膚等多種感覺功能。優(yōu)點是靈敏度高、響應(yīng)速度快、體積小、重量輕、便于集成化、智能化，能使檢測轉(zhuǎn)換一體化。半導(dǎo)體傳感器的主要應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)自動化、遙測、工業(yè)機器人、家用電器、環(huán)境污染監(jiān)測、醫(yī)療保健、醫(yī)藥工程和生物工程。半導(dǎo)體傳感器按輸入信息分為物理敏感、化學(xué)敏感和生物敏感半導(dǎo)體傳感器三類。?

　　物理敏感半導(dǎo)體傳感器?　將物理量轉(zhuǎn)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(yīng)用比較普遍，半導(dǎo)體傳感器的無觸點開關(guān)應(yīng)用尤廣。它們與微處理機相配合，能構(gòu)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(yīng)。?

化學(xué)敏感半導(dǎo)體傳感器?　將化學(xué)量轉(zhuǎn)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(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。?

　　生物敏感半導(dǎo)體傳感器?　將生物量轉(zhuǎn)換成電信號的器件，往往利用膜的選擇作用、酶的生化反應(yīng)和免疫反應(yīng)，通過測量反應(yīng)生成物或消耗物的數(shù)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(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)、微生物活組織和細胞的呼吸功能等。?

半導(dǎo)體傳感器?

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)檢出對象,半導(dǎo)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(xué)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(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。通過在半導(dǎo)體中摻進雜質(zhì)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(dǎo)體光傳感器種類很多，可以通過光導(dǎo)效應(yīng)、光電效應(yīng)、光電流等實現(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(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)，還會產(chǎn)生顯著的塞貝克效應(yīng)。當P?型半導(dǎo)體兩端存在溫度差墹T，熱端的空穴濃度大，因此空穴向冷端擴散，并在此端產(chǎn)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(dǎo)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(dǎo)體電偶的uS可達300μV/K，比金屬的uS(40μV/K)大一個數(shù)量級。?
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(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(dǎo)探測器）。?

　　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(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，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(dǎo)體在承受壓力時禁帶寬度發(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截面積減小引起的電阻變化要大兩個數(shù)量級。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(dǎo)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(dǎo)體表面或界面吸附氣體分子或水分子時，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,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(nèi)空調(diào)，可精密控制濕度，與微機結(jié)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(dǎo)體與氣體接觸時電阻或功函數(shù)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(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(yīng)時引起的功函數(shù)變化來檢測氣體。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，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(dǎo)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(dǎo)體氣體傳感器在防災(zāi)、環(huán)境保護、節(jié)能、工程管理、自動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)進行連續(xù)測量，隨時監(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變化。利用這種場效應(yīng)制成的絕緣柵場效應(yīng)晶體管?(IGFET)可作為化學(xué)傳感器。而在測量離子時，即稱為離子靈敏場效應(yīng)晶體管(ISFET)。ISFET的柵絕緣層表面只對特定的離子產(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(yīng)化學(xué)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(fù)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(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(fù)雜的生物關(guān)聯(lián)物質(zhì)、免疫物質(zhì)、細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相結(jié)合可以制成具有自動補償功能和預(yù)知判斷功能的智能化器件。?

　　半導(dǎo)體傳感器優(yōu)點是靈敏度高、可靠性好、可實現(xiàn)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(jié)晶型半導(dǎo)體傳感器的不足，人們正在研究無定形半導(dǎo)體傳感器。?