半导体传感器的原理应用及进展.docx

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1、半导体传感器的原理、应用及进展摘要：本文要紧评述半导体传感器例如磁敏，色敏，离子敏，气敏，湿敏的传感器的原理，各行业的应用及目前的进展前景。关键词：半导体传感器，磁敏、色敏、离子敏、气敏、湿敏、工作原理、现状、进展趋势、应用一、概述由于电子技术的飞速进展，以半导体传感器为代表的各类固态传感器接踵问世，半导体传感器以其易于实现集成化，微型化，灵敏度高等诸多优势，始终引发世界各国科学家的重视和爱好，而且愈来愈多的应用于各个行业。半导体传感器利用半导体材料易受外界条件阻碍的物理特性制成的传感器，器种类繁多，它利用近百种物理效应和材料的特性，具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉功能。半导体传感器

2、的优势是灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。半导体传感器的要紧应用领域是工业自动化、遥测、工业机械人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程。二、分类一、磁敏传感器磁敏传感器的工作原理磁敏传感器是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场转变其运动方向这一特性而制成的，总的来讲磁敏传感器确实是基于磁电转换原理的传感器。磁敏传感器要紧有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器。磁阻效应 将一载流导体置于外磁场中，除产生霍尔效应外， 其电阻也会随磁场而转变，这种效应成为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻器确实是利用磁阻效应制成的一种磁敏

3、元件。当温度恒按时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B 的平方成正比。关于只有电子参与导电的最简洁的情形，理论推出磁阻效应的表达式为B=01+B式中 B-磁感应强度；-载流子迁移率；0- 零磁场下的电阻率；B-磁感应强度为B 时的电阻率。设电阻率的转变为 =B-0，那么电阻率的相对转变率为 /0=B=KB由上式可知，磁场一按时，迁移率高的材料磁阻效应明显。磁敏电阻的应用 一样用于磁场强度、漏磁、制磁的检测；在沟通变换器、频率变换器、功率电压变换器、位移电压变换器、等电路中作操纵元件；还可用于接近开关、磁卡文字识别、磁电编码器、电动机测速等方面或制作磁敏传感器用。晶体二极管为一个由 p 型半导体

4、和 n 型半导体形成的 p-n 结，在其界面处双侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引发的集中电流和自建电场引发的漂移电流相等而处于电平稳状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的相互抑消作用使载流子的集中电流增加引发了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步增加，形成在必定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流I0。当外加的反向电压高到必定程度时，p-n 结空间电荷层中的电场强度到达临界值产生载流子的倍增进程，产生大量电子空穴对，产生了数值特地大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。在电路中， P区接正电极，

5、 N区接负电极，即给磁敏二极管加上正电压时，P区向 i 区注人空穴，N区向 i 区注入电子。在没有外加磁场时，大部份的空穴和电子别离流人N区和P区而产生电流，只有很少一部份载流子在 i 区或 r 区复合。现在i 区有固定的阻值，器件呈稳固状态。假设给磁敏二极管外加一个磁场B时，在正向磁场的作用下，空穴和电子在洛仑兹力的作用下偏向r 区。由于空穴和电子在，区的复合速度大，因此载流子复合掉的比没有磁场时大得多，从而使 i 区中的载流子数量削减，i 区电阻增大，该区的电压降也增加，又使 P与 N结的结压降减小，致使注人到 i 区的载流子数量削减。其结果是使i 区的电阻连续增大，其压降也连续增大，形成

6、正反响进程， 直到迸人某一动平稳状态为止。当给磁敏二极管加一个反向磁场B-时，载流子在洛仑兹力的作用下均偏离复合区r。其偏离，区的结果与加正向磁场时的情形恰恰相反，现在磁敏二极管的正向电流增大，电阻减小。无磁场加正向磁场加反向磁场磁敏二极管可用来检测交、直流磁场，特地适合测量弱磁场； 可制作钳位电流计，对高压线进展不断线、无接触电流测量，还可作无接触电位计等。3霍尔传感器霍尔传感器是依据霍尔效应制成的器件。霍尔效应：通电的载体在受到垂直于载体平面的外磁场作历时，那么载流子受到洛伦兹力的作用，并有向两边聚拢的偏向, 由于自由电子的聚拢从而形成电势差，在通过特别工艺制备的半导体材料这种效应更为显著

7、。从而形成了霍尔元件。为增加对磁场的灵敏度,在材料方面半导体 IIIV 元素族都有所应用。霍尔器件由于其工作机理的原因都制成全桥路器件，其内阻大约都在150500 之间。对线性传感器工作电流大约在 210mA 左右， 一样承受恒流供电法。磁敏传感器的进展与应用将磁敏传感器用于各类测磁仪中，其应用范围包括工业、农业、交通运输、国防、军事、航空航天、海洋、气象、医疗卫生、家庭、办公等等, 可谓无所不至。2.色敏传感器色敏传感器工作原理半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种。它也是基于半导体的内光效应，将光信号变成为电信号的光辐射探测器件。半导体色敏器件可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的

8、波长。半导体色敏传感器相当于两只构造不同的光电二极管的组合，故又称双结光电二极管。色敏器件之因此能够识别颜色，其理论根底确实是依据光的吸取特性，即当入射到光敏二极管上的光照强度维持一按时，输出的光电流那么随入射光的波长的转变而转变，光敏二极管的光敏特性，从 PN 结外表开头，随结的深度而转变，如此由于光的波长不同，即能够反射出颜色的不同。用半导体硅制造的光敏二极管，在受光照耀时，假设入射光子的能量 hf 大于硅的禁带宽度 Eg，那么光子就激发价带子中的电子跃迁到导带，而产生一对电子空穴。这些由光子激发而产生的电子-空穴通称为光生载流子。光敏二极管的大体部份是一个P-N 结。产生的光生载流子只要

9、能集中到势垒区的边界，其中少数载流子就受势垒区强电场的吸引而被拉向反面区域。这部份少数载流子就对电流做出奉献。多数载流子那么受势垒区电场的排斥而留在势垒的边缘。在势垒区内产生的光生电子和光生空穴那么别离被电场扫向N 区和P 区，它们对电流也有奉献。半导体色敏传感器构造原理和等效电路当 P-N 结开路或接有负载时, 势垒区电场搜集的光生载流子便要在势垒区两边积存, 从而使P 区电位上升, N 区电位降低, 造成一个光生电动势, 如图 9-11b所示。该电动势使原 P-N 结的势垒高度下降为qU-U。其中V 即光生电动势,它相当于在P-N 结上加了正向偏压。只只是这是光照形成的, 而不是电源馈送的

10、, 这称为光生电压, 这种现象确实是光生伏特效应。当 P-N 结外电路短路时, 那个光电流将全数流太短接回路, 即从P 区和势垒区流入N 区的光生电子将通过外短接回路全数流到P 区电极处, 与P 区流出的光生空穴复合。这时, P-N 结中的载流子浓度维持平稳值, 势垒高度亦无转变。半导体色敏传感器中所表示的P-N-P 不是晶体管, 而是结深不同的两个P-N 结二极管, 浅结的二极管是P-N 结; 深结的二极管是 P-N 结。 当有入射光照耀时, P、N、P 三个区域及其间的势垒区中都有光子吸取, 但成效不同。因此，紫外光部份吸取系数大, 通过很短距离已大体吸取完毕。在此, 浅结的即是光电二极管

11、对紫外光的灵敏度高 , 而红外部份吸取系数较小 , 这种波长的光子那么要紧在深结区被吸取。 因此, 深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度较高。在半导体中不同的区域对不同的波长别离具有不同的灵敏度。这一特性能够用来测量入射光的波长。硅色敏管中 VD和 VD的光谱响应曲线就组成了能够测定波长的半导体色敏传感器。色敏传感器的应用半导体色敏传感器可用于测量光源的色温度、波长；测量、操纵光源的色温度；选择、区分发光二极管的发光波长；识别彩色纸的颜色；识别色标；检查颜料、染料的颜色等，如在工程实际中, 常需对颜色进展检测, 如工厂自动化、办公自动化、彩色电视机的颜色调整、商品代码颜色的读取、机械人颜色识别

12、等。离子敏传感器工作原理离子灵敏器件是一种对离子具有选择灵敏作用的场效应晶体管。它是由离子选择性电极 ISE与金属-氧化物-半导体场效应晶体管MOSFET组合而成的，简称ISFET。离子传感器是将溶液中的离子活度转换为电信号的传感器、其大体原理是利用固定在灵敏膜上的离子识别材料有选择性的 结合被传感的离子，从而发生膜电位或膜电压的转变，到达检测的目的。的工作原理ISFET 用对离子有选择性阻碍的灵敏膜替换一般的 MOSFET 的金属铝栅，当灵敏膜直接接触被测离子溶液时，与离子彼此作用， 调制场效应晶体管的漏极电流，以检测溶液中离子的活度。ISFET 的大体构造如以下图，没有金属栅极，栅介质袒露

13、或在其上涂敷对离子灵敏的灵敏膜，与参比电极和待测溶液一路起着栅电极的作用。参比电极上所加的电压通过待测溶液加到绝缘栅上，是半导体外表反型，形成导电沟道。假设是参比电极上施加的电压正好使半导体外表反型，这时参比电极上的电压称为阈值电压。关于特定构造的ISFET，阈值电压的转变只由电解液与栅介质界面处的化学势打算，而化学势的大小取决于灵敏膜的性质和电解液中的离子活度。因此通过 ISFET 阈值电压的转变能够测量电解液中离子的活度。离子灵敏膜是ISFET 的重要部份，是响应不同离子并将其化学量转换为电学量的关键。不同的栅介质和灵敏膜能够派生出多种ISFET。如无机绝缘膜、固态灵敏膜、有机高分子PVC

14、 膜。离子敏传感器的应用能够用来测量离子灵敏电极 (ISE)所不能测量的生物体中的微小区域和微量离子。因此，它在生物医学领域中具有很强的生命力。另外，在环境疼惜、化工、矿山、地质、水文和家庭生活，医学，生理学等各方面都有其应用。气敏传感器的工作原理半导体气敏传感器，是利用半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质转变，借此来检测特定气体的成份或测量其浓度的传感器的总称。气敏传感器能够把气体的特定成份和浓度检测出来，并将它转换成电信号的器件。气敏传感器是在压电晶体外表涂覆一层选择性吸附某气体 的气敏薄膜，当该气敏薄膜与待测气体彼此作用使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生转变时，引发压电晶体的声外表波

15、频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率转变程度亦不同，即引发声外表波频率的转变也不同。通过测量声外表波频率的转变就能够够准确的反映气体浓度的转变。依照半导体转变的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型， 电阻型半导体气敏元件是利用灵敏材料接触气体时，其阻值转变来检测气体的成份或浓度； 非电阻型半导体气敏元件是利用其它参数，如二极管伏安特性和场效应晶体管的阈值电压转变来测被测气体的。半导体气敏传感器是利用气体在半导体外表的氧化和复原 反映致使灵敏元件阻值转变而制成的。当半导体器件被加热到稳固状态，在气体接触半导体外表而被吸附时，被吸附的分子第一在外表物性自由集中，失去运动能量，一部份分子被蒸发

16、掉，另一部份残留分子产生热分解而固定在吸附处。当半导体的功函数小于吸附分子的亲和力时， 吸附分子将从器件夺得电子而变成负离子吸附， 半导体外表呈现电荷层。假设是半导体的功函数大于吸附分子的离解能，吸附分子将向器件释放出电子，而形成正离子吸附。当氧化型气体吸附到N 型半导体上，复原型气体吸附到 P 型半导体上时，将使半导体载流子削减，而使电阻值增大。当复原型气体吸附到N 型半导体上，氧化型气体吸附到P 型半导体上时， 那么载流子增多，使半导体电阻值下降。以以下图表示了气体接触 N 型半导体时所产生的器件阻值转变情形。假设气体浓度发生转变，其阻值也将转变。能够从阻值的转变得知吸附气体的种类和浓度。

17、器件电阻/ k响应时间约1 min 以内100器件加热稳定状态氧化型505复原型2 min 4 min加热开关大气中吸气时电极(铂丝)氧化物半导体半导体 0.5 mm电极3m0.6 mm加热器玻璃(尺寸约1 mm，也有全为半导体的)加热器 电极3 mm绝缘基片(a) (b)0.533(单位: mm)7氧化物半导体Pt电极氧化铝基片器件加热用的加热器(印制厚膜电阻)(c)图(a)为烧结型气敏器件。这种器件以SnO2 半导体材料为基体， 将铂电极和加热丝埋入 SnO2 材料中，用加热、加压、温度为700900的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷， 简称半导瓷。烧结型器件制作方式简洁，器件寿命

18、长；但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能全都性较差，因此应用受到必定限制。图(b)为薄膜型器件。它承受蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜，制作方式也很简洁。SnO2 半导体薄膜的气敏特性最好， 但这种半导体薄膜为物理性附着，因此器件间性能不同较大。图(c)为厚膜型器件。这种器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜胶，再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上，经烧结制成的。由于这种工艺制成的元件机械强度高， 离散度小，适合大量量生产。2. 非电阻型半导体气敏传感器非电阻型气敏器件也是半导体气敏传感器之一。它是利用MOS 二极管的电容电压特性的转变和 M

19、OS 场效应晶体管(MO 的阈值电压的转变等物性而制成的气敏元件。（1） MOS 二极管气敏器件MOS 二极管气敏元件制作进程是在P 型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为 50100 nm 的二氧化硅(SiO2)层，然后在其上面蒸发一层钯 (Pd)金属薄膜，作为栅电极，如图 (a) 所示。由于 SiO2 层电容 Ca 固定不变， 而 Si 和 SiO2 界面电容Cs 是外加电压的函数如图 (b)， 因此由等效电路可知，总电容C 也是栅偏压的函数。其函数关系称为该类MOS 二极管的C-U 特性，如图c曲线 a 所示。由于钯对氢气(H2)特地灵敏，当钯吸附了 H2 以后，会使钯的功函数降低

20、，致使MOS 管的 C-U 特性向负偏压方向平移，如图 (c)曲线 b 所示。依照这一特性就可用于测定H2 的浓度。SiO2PSiM(Pd)abCCaCsOV(a) (b)(c)(2)MOS 场效应晶体管气敏器件 MOS 场效应晶体管的构造， 参见以以下图。当 H2 吸附在 Pd 栅极上时，会引发 Pd 的功函数降低。当栅极(G)、源极(S)之间加正向偏压 UGS，且 UGSUT(阈值电压)时，那么栅极氧化层下面的硅从 P 型变成N 型。 那个N 型区就将源极和漏极连接起来，形成导电通道，即为N 型沟道。现在，MOSFET 进入工作状态。假设现在，在源(S)漏(D)极之间加电压UDS，那么源极

21、和漏极之间有电流(IDS)流通。ISD 随UDS 和UGS 的大小而转变，其转变规律即为 MOSFET 的伏-安特性。 当UGSUT 时， MOSFET 的沟道未形成， 故无漏源电流。UT 的大小除与衬底材料的性质有关外，还与金属和半导体之间的功函数有关。PdMOSFET 气敏器件确实是利用H2 在钯栅极上吸附后引发阈值电压UT 下降这一特性来检测H2 浓度的。SPd 栅DAl气敏传感器应用NNPSiSiO2半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时刻和恢复时刻快、利用寿命长和本钱低等优势，从而取得了普遍的应用。最先用于可燃气体及瓦斯泄漏报警器，有毒气体的检测、容器或管道的泄漏，环境监测、锅炉及

22、汽车的燃烧监测与操纵、工业进程的监测与自动操纵热水器等方面。5、湿敏传感器1湿敏传感器工作原理4湿敏传感器是能够感受外界湿度转变，并通过器件材料的物2理或化学性质转变，将湿度转化成有效信号的器件。31 氯化锂湿敏电阻1 引线；2基片；3 感湿层；4金电极氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生转变而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成， 如以下图。湿敏电阻构造示用意氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体 ,当溶液置于必定温湿场中, 假设环境相对湿度高, 溶液将吸取水分， 使浓度降低, 因此, 其溶液电阻率增高。 反之, 环境相对湿度变低时, 那么溶液浓度上升, 其电阻率下降, 从

23、而实现对湿度的测量。氯化锂湿敏元件的优势是滞后小 , 不受测试环境风速阻碍 , 但其耐热性差, 不能用于露点以下测量, 器件性能的重复性不睬想, 利用寿命短。2 半导体陶瓷湿敏电阻半导体陶瓷湿敏电阻一般是用两种以上的金属氧化物半导体材料混合烧结而成的多孔陶瓷。这些材料有 ZnO-LiO2- V2O5 系、 Si-Na2O-V2O5 系、 TiO2-MgO-Cr2O3 系、Fe3O4等, 前三种材料的电阻率随湿度增加而下降, 故称为负特性湿敏半导体陶瓷，最终一种的电阻率随湿度增大而增大，故称为正特性湿敏半导体陶瓷。负特性湿敏半导瓷的导电机理由于水分子中的氢原子具有很强的正电场 , 当水在半导瓷外

24、表吸附时, 就有可能从半导瓷外表俘获电子, 使半导瓷外表带负电。假设是该半导瓷是型半导体, 那么由于水分子吸附使外表电势下降。假设该半导瓷为型, 那么由于水分子的附着使外表电势下降。假设是外表电势下降较多 , 不仅使外表层的电子耗尽 , 同时吸引更多的空穴到达外表层 , 有可能使抵达外表层的空穴浓度大于电子浓度, 显现所谓外表反型层, 这些空穴称为反型载流子。图 9 - 5 表示了几种负特性半导瓷阻值与湿度之关系。正特性湿敏半导瓷的导电机理正特性湿敏半导瓷的导电机理以为这种材料的构造、 电子能量状态与负特性材料有所不同。当水分子附着半导瓷的外表使电势变负时, 致使其外表层电子浓度下降, 于是,

25、 外表电阻将由于电子浓度下降而加大, 这种半导瓷材料的外表电阻将随湿度金属电极的增加而加大。通常湿湿敏敏半陶瓷导片瓷材料都是多固孔定的端,子外表电导占的比例特地大, 故外表加层热电线圈阻的上升, 将引发总电阻值的明显升陶瓷基片高。典型半导瓷湿敏元件引线（1） MgCr2O4-TiO2 湿敏元件 氧化镁复合氧化物-二氧化钛湿敏材料通常制成多孔陶瓷型“湿电”转换器件，它是负特性半导瓷，MgCr2O4 为型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好。MgCr2O4-TiO2 陶瓷（2） ZnO-Cr2O3 陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3 湿敏元件的构造是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两外表上，并

26、焊上铂引线，然后将灵敏元件装入有网眼过滤的方形塑料盒顶用树脂固定。ZnO-Cr2O3 传感器能持续稳固地测量湿度，而不必加热除污装置，因此功耗低，体积小，本钱低，是一种常常使用测湿传感器。（3） 四氧化三铁Fe3O4湿敏器件四氧化三铁湿敏器件由基片、电极和感湿膜组成。Fe3O4 湿敏器件在常温、常湿下性能比较稳固，有较强的抗结露力量，测湿范围广，有较为全都的湿敏特性和较好的温度-湿度特性，但器件有较明显的湿滞现象， 响应时刻长。湿敏传感器的应用湿敏传感器已经普遍地用于各类场合的湿度监测、操纵与报警，工业制造、医疗卫生、林业和畜牧业等各个领域。三、半导体传感器的现状与进展趋势半导体传感器利用半导

27、体材料，利用半导体材料对四周环境的灵敏性制成各类传感器，除上述磁敏、色敏、离子敏、气敏、湿敏等半导体传感器外，还有力敏，热敏，温度敏、生物敏等种类繁多的传感器。随着传感器应用领域的不断扩大依托于各学科的进展和彼此渗透，传感器不断向高精度化、高靠得住性、微功耗及无源化等方向进展，更精一步向智能化、微型化、集成化方向进展。21 世纪人类将进入“3T”1T=10 纪元，作为信息技术的重要组成部份的半导体传感器的要紧进展趋势是，进展基于原理，材料和技术的加倍灵敏、精准、智能化和人性化的传感器材料与器件，以知足信息技术的快速进展。长期以来，传感器材料和器件的开发和利用，主假设是面对工业、国防和科技事业。到二十世纪后期，那么渐渐向与人类的生存状况严密相关的环境、生态、特地是直接与人体和生命相关的医学领域扩展，如可对癌症、心血管疾病等进展初期诊断的纳米材料制成的、极为灵敏的生物和化学传感器用来检测CO、NO2和其他有毒气体的半导体SnO2 传感器和对温室的温度、湿度、光照和CO2 浓度及对农药残留物进展检测与监控的传感器等。这些领域很有可能成为世纪传感器材料与技术进展的另一个要紧方向。参考文献李先文，黄强，半导体传感器在中国的争论和进展周化仁，吴震春，王晓平气敏半导体传感器在 CO 报警器中的应用唐文彦 传感器涂有瑞磁敏传感器产业的现状和进展趋势陈国强 乔志刚色敏传感器及应用