半导体传感器的原理应用及发展

半导体传感器的原理、应用及发展摘要：本文主要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发展前景。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、发展趋势、应用一、概述由于电子技术的飞速发展，以半导体传感器为代表的各种固态传感器相继问世，半导体传感器以其易于实现集成化，微型化，灵敏度高等诸多优点，一直引起世界各国科学家的重视和兴趣，并且越来越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影响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。半导体传感器的优点是灵敏度高、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。半导体传感器的主要应用领域是工业自动化、遥测、工业机器人、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1、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者空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成的，总的来说磁敏传感器就是基于磁电转换原理的传感器。磁敏传感器主要有磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管和霍尔式磁敏传感器。1.磁敏电阻器磁阻效应将一载流导体置于外磁场中，除了产生霍尔效应外，其电阻也会随磁场而变化，这种效应成为磁电阻效应，简称磁阻效应。磁敏电阻器就是利用磁阻效应制成的一种磁敏元件。当温度恒定时，在弱磁场范围内，磁阻与磁感应强度B的平方成正比。对于只有电子参与导电的最简单的情况，理论推出磁阻效应的表达式为ρB=ρ0（1+0.273μ²B²）式中B---磁感应强度；μ---载流子迁移率；ρ0---零磁场下的电阻率；ρB---磁感应强度为B时的电阻率。设电阻率的变化为△ρ=ρB-ρ0，则电阻率的相对变化率为△ρ/ρ0=0.273μ²B²=K﹙μB﹚²由上式可知，磁场一定时，迁移率高的材料磁阻效应明显。磁敏电阻的应用一般用于磁场强度、漏磁、制磁的检测；在交流变换器、频率变换器、功率电压变换器、位移电压变换器、等电路中作控制元件；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。2.磁敏二极管晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，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起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一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一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。在电路中，P＋区接正电极，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，大部分的空穴和电子分别流人N＋区和P＋区而产生电流，只有很少一部分载流子在i区或r区复合。此时i区有固定的阻值，器件呈稳定状态。若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，区的复合速率大，因此载流子复合掉的比没有磁场时大得多，从而使i区中的载流子数目减少，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，导致注人到i区的载流子数目减少。其结果是使i区的电阻继续增大，其压降也继续增大，形成正反馈过程，直到迸人某一动平衡状态为止。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况恰恰相反，此时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，特别适合测量弱磁场；可制作钳位电流计，，对高压线进行不断线、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用时，则载流子受到洛伦兹力的作用，并有向两边聚集的倾向,由于自由电子的聚集从而形成电势差，在经过特殊工艺制备的半导体材料这种效应更为显著。从而形成了霍尔元件。为增强对磁场的敏感度,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150Ω~500Ω之间。对线性传感器工作电流大约在2~10mA左右，一般采用恒流供电法。磁敏传感器的发展与应用将磁敏传感器用于各种测磁仪中，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波长。半导体色敏传感器相当于两只结构不同的光电二极管的组合，故又称双结光电二极管。色敏器件之所以能够识别颜色，其理论基础就是依据光的吸收特性，即当入射到光敏二极管上的光照强度保持一定时，输出的光电流则随入射光的波长的改变而变化，光敏二极管的光敏特性，从PN结表面开始，随结的深度而变化，这样由于光的波长不同，便可以反射出颜色的差异。1.光敏二极管工作原理用半导体硅制造的光敏二极管，在受光照射时，若入射光子的能量hf大于硅的禁带宽度Eg，则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。光敏二极管的基本部分是一个P-N结。产生的光生载流子只要能扩散到势垒区的边界，其中少数载流子就受势垒区强电场的吸引而被拉向背面区域。这部分少数载流子就对电流做出贡献。多数载流子则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则分别被电场扫向N区和P区，它们对电流也有贡献。半导体色敏传感器结构原理和等效电路当P-N结开路或接有负载时,势垒区电场收集的光生载流子便要在势垒区两边积累,从而使P区电位升高,N区电位降低,造成一个光生电动势,如图9-11（b）所示。该电动势使原P-N结的势垒高度下降为q（UＤ-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。只不过这是光照形成的,而不是电源馈送的,这称为光生电压,这种现象就是光生伏特效应。当P-N结外电路短路时,这个光电流将全部流过短接回路,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部流到P区电极处,与P区流出的光生空穴复合。这时,P-N结中的载流子浓度保持平衡值,势垒高度亦无变化。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。当有入射光照射时,P＋、N、P三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收,但效果不同。因此，紫外光部分吸收系数大,经过很短距离已基本吸收完毕。在此,浅结的即是光电二极管对紫外光的灵敏度高,而红外部分吸收系数较小,这类波长的光子则主要在深结区被吸收。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分别具有不同的灵敏度。这一特性可以用来测量入射光的波长。硅色敏管中VD１和VD２的光谱响应曲线就构成了可以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、控制光源的色温度；选择、鉴别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,常需对颜色进行检测,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、机器人颜色识别等。3.离子敏传感器离子敏传感器工作原理离子敏感器件是一种对离子具有选择敏感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、其基本原理是利用固定在敏感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改变，达到检测的目的。1.ISFET的工作原理ISFET用对离子有选择性影响的敏感膜替换普通的MOSFET的金属铝栅，当敏感膜直接接触被测离子溶液时，与离子相互作用，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的基本结构如图所示，没有金属栅极，栅介质裸露或在其上涂敷对离子敏感的敏感膜，与参比电极以及待测溶液一起起着栅电极的作用。参比电极上所加的电压通过待测溶液加到绝缘栅上，是半导体表面反型，形成导电沟道。如果参比电极上施加的电压正好使半导体表面反型，这时参比电极上的电压称为阈值电压。对于特定结构的ISFET，阈值电压的变化只由电解液与栅介质界面处的化学势决定，而化学势的大小取决于敏感膜的性质和电解液中的离子活度。因此通过ISFET阈值电压的变化能够测量电解液中离子的活度。2.离子敏感膜离子敏感膜是ISFET的重要部分，是响应不同离子并将其化学量转换为电学量的关键。不同的栅介质和敏感膜可以派生出多种ISFET。如无机绝缘膜、固态敏感膜、有机高分子PVC膜。离子敏传感器的应用可以用来测量离子敏感电极(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。此外，在环境保护、化工、矿山、地质、水文以及家庭生活，医学，生理学等各方面都有其应用。4.气敏传感器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，造成半导体性质变化，借此来检测特定气体的成分或者测量其浓度的传感器的总称。气敏传感器可以把气体的特定成分和浓度检测出来，并将它转换成电信号的器件。气敏传感器是在压电晶体表面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相互作用使得气敏薄膜的膜层质量和导电率发生变化时，引起压电晶体的声表面波频率发生漂移；气体浓度不同，膜层质量和导电率变化程度亦不同，即引起声表面波频率的变化也不同。通过测量声表面波频率的变化就可以准确的反应气体浓度的变化。按照半导体变化的物理特性，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敏感材料接触气体时，其阻值变化来检测气体的成分或浓度；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变化来测被测气体的。半导体气敏传感器是利用气体在半导体表面的氧化和还原反应导致敏感元件阻值变化而制成的。当半导体器件被加热到稳定状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物性自由扩散，失去运动能量，一部分分子被蒸发掉，另一部分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，半导体表面呈现电荷层。如果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，还原型气体吸附到P型半导体上时，将使半导体载流子减少，而使电阻值增大。当还原型气体吸附到N型半导体上，氧化型气体吸附到P型半导体上时，则载流子增多，使半导体电阻值下降。下图表示了气体接触N型半导体时所产生的器件阻值变化情况。若气体浓度发生变化，其阻值也将变化。可以从阻值的变化得知吸附气体的种类和浓度。1.电阻型气敏原件100550加热开关大气中2min4min吸气时还原型氧化型稳定状态器件加热响应时间约1min以内器件电阻/k0.6mm电极0.5mm半导体加热器电极绝缘基片(a)电极(铂丝)氧化物半导体加热器玻璃(尺寸约1mm，也有全为半导体的)3mm(b)3mm330.5(单位:mm)7(c)氧化铝基片Pt电极氧化物半导体器件加热用的加热器(印制厚膜电阻)图(a)为烧结型气敏器件。这类器件以SnO2半导体材料为基体，将铂电极和加热丝埋入S