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(diǎn)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(dòng)化、遙測、工業(yè)機(jī)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(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、聽覺和觸覺的功能。這類器件主要基于電子作用過程，機(jī)理較為簡單，應(yīng)用比較普遍，半導(dǎo)體傳感器的無觸點(diǎn)開關(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)敏感半導(dǎo)體傳感器?　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和味覺的功能。這類器件主要基于離子作用過程，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。?

　　生物敏感半導(dǎo)體傳感器?　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)，通過測量反應(yīng)生成物或消耗物的數(shù)量達(dá)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(xì)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(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(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（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。這可用來測量一點(diǎn)的溫度，如測溫度分布，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(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，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(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(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(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?xì)怏w防爆報(bào)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(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(shí)，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(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(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(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，人們正在研究無定形半導(dǎo)體傳感器。?