半導(dǎo)體傳感器-化學(xué)傳感器

1、半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體傳感器 化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器 馬朋莎馬朋莎 14723439 內(nèi)容內(nèi)容 v 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 v 電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器 v 質(zhì)量傳感器質(zhì)量傳感器 v 熱化學(xué)傳感器熱化學(xué)傳感器 簡(jiǎn)介簡(jiǎn)介 v 化學(xué)傳感器能感受規(guī)定的化學(xué)量并轉(zhuǎn)換成可用輸出信 號(hào)的傳感器 GB/T7665-1978傳感器通用術(shù)語(yǔ) v 能夠通過(guò)某種化學(xué)反應(yīng)以選擇性方式對(duì)特定的待分析物質(zhì) 產(chǎn)生響應(yīng)從而對(duì)分析物質(zhì)進(jìn)行定性或定量測(cè)定的裝置。 識(shí) 別 元 件 被分析物 化學(xué)信息 換 能 器 電信號(hào) 二 次 儀 表 構(gòu)成：識(shí)別元件、換能器、相應(yīng)電路 分子識(shí)別元件與被識(shí)別物發(fā)生相互作用時(shí)，其物理、化學(xué)參數(shù)會(huì)發(fā)生變化 （離子、電子、熱

2、、質(zhì)量等），再通過(guò)換能器將這些參數(shù)轉(zhuǎn)變成與分析物 特性有關(guān)的可定性或定量處理的電信號(hào)或者光信號(hào)，然后經(jīng)過(guò)放大、儲(chǔ)存， 最后以適當(dāng)?shù)男问綄⑿盘?hào)顯示出來(lái)。 化學(xué)傳感器的分類(lèi)化學(xué)傳感器的分類(lèi) v 按傳感方式，化學(xué)傳感器可分為接觸式與非接觸式化學(xué)傳 感器。 v 按檢測(cè)對(duì)象，化學(xué)傳感器分為氣體傳感器、濕度傳感器、 離子傳感器。 v 按工作原理，化學(xué)傳感器分為電化學(xué)傳感器、質(zhì)量傳感器、 熱化學(xué)傳感器。 電化學(xué)傳感器電化學(xué)傳感器 電化學(xué)傳感器可分場(chǎng)效應(yīng)傳感器，電位型傳感器，電流型 傳感器，電導(dǎo)型傳感器。 場(chǎng)效應(yīng)傳感器場(chǎng)效應(yīng)傳感器 場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）是現(xiàn)代微電子學(xué)主要組成部分，基于自 由載流子向半導(dǎo)體中可

3、控注入的有源器件。 主要介紹電分析化學(xué)相關(guān)的金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （MOSFET）傳感器、離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管（ISFET）。 v MOSFET工作原理 v P型硅襯底上有兩個(gè)相距較近的n型區(qū)：源擴(kuò)散區(qū)和漏擴(kuò)散區(qū)。 擴(kuò)散區(qū)之間硅面上有一層薄氧化膜，膜上有一個(gè)由蒸發(fā)光刻的 金屬電極，電極覆蓋在兩個(gè)擴(kuò)散區(qū)間，叫柵極G。擴(kuò)散區(qū)制作了 歐姆接觸，并引出電極引線，接正極n型區(qū)稱(chēng)為漏極d，則另一 個(gè)n區(qū)為源極S。 v 結(jié)構(gòu)示意圖：n型源極和漏極之間隔著p型襯底。當(dāng)在源極、漏 極之間施加一定電壓時(shí)，由于p型襯底阻隔，電流不能通過(guò)柵極 上沒(méi)有電壓。 在柵極上加正電壓并達(dá)到一定值時(shí)， 柵極下面會(huì)產(chǎn)生一

4、個(gè)電場(chǎng)，吸引p 型硅體內(nèi)的電子到表面附近。使得 柵極下的硅表面形成了一個(gè)含有大 量電子的薄層，一個(gè)能導(dǎo)電的n型 層。反型層形成的導(dǎo)電溝道將源擴(kuò) 散區(qū)和漏擴(kuò)散區(qū)連接起來(lái)，當(dāng)在漏 極、源極間施加一定電壓時(shí)，會(huì)有 電流通過(guò)。 增大柵極上正電壓時(shí)，反層中的電子增加，導(dǎo)電溝道的電阻 也會(huì)減小，從而使產(chǎn)生的電流增加。反之，減小柵極上正電 壓時(shí)，反型層中電子減少，導(dǎo)電溝道的電阻增大，則流過(guò)溝 道的電流就減小。 當(dāng)漏源電壓VDS一定時(shí)，漏電流ID 隨柵源電壓VGS變化而變化，其關(guān) 系如圖。 VGSVT時(shí)，產(chǎn)生一定漏電流，并且 ID隨VGS增大而變大。 柵源電壓VT表示晶體管由不導(dǎo)電到 導(dǎo)電的臨界值-開(kāi)啟電壓/

5、閾電壓。 當(dāng)VGS=0時(shí)，晶體管的漏、源擴(kuò)散區(qū)之間不導(dǎo)電；當(dāng)VGSVT時(shí)，硅 表面形成了n型導(dǎo)電溝道，晶體管才開(kāi)始導(dǎo)電。 v ISFET傳感器 v 將溶液中電解質(zhì)的離子活度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的FET傳感器。 ISFET由離子選擇電極（ISE）和MOSFET組合成，對(duì)粒子具有選 擇性的一種場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 v 具體：去掉MOSFET金屬鋁柵極，在上面涂敷一層離子敏感膜或 換擇性酶，敏感膜與待測(cè)溶液中離子發(fā)生特定響應(yīng)時(shí)，膜電位或 膜電壓會(huì)改變。若VDS,VGS保持不變，則ID隨被測(cè)離子活度變化而 變化，通過(guò)測(cè)量ID即可測(cè)得被測(cè)離子的活度-電流法。在ISFET飽 和區(qū)和非飽和區(qū)中，當(dāng)ID和VGS保持恒定

6、時(shí)，VGS變化與被測(cè)離子 活度相關(guān)-電位法。 去掉金屬鋁柵極，涂敷 離子敏感膜或換擇性酶 ISFET結(jié)構(gòu)：在MOSFET柵極上涂 敷敏感膜的ISFET，無(wú)機(jī)絕緣柵 ISFET、有機(jī)高分子PVC膜ISFET和 固態(tài)敏感膜ISFET。 例：在MOSFET柵極上涂敷敏感膜 的ISFET，從MOSFET柵極上引出 一根鉑銀絲，在鉑線上涂敷敏感膜， 并密封在玻璃管內(nèi)。 壽命長(zhǎng)、電位漂移小，但是不易集 成化，體積比較大。 C QQ VEEV OX DSS FREFMT 2 ms * v ISFET的閾值電壓 v 由于ISFET金屬柵極被參比電極和待測(cè)溶液所取代，則金屬 電極與半導(dǎo)體接觸的電勢(shì)差可看成由參比

7、電極與半導(dǎo)體接觸 勢(shì)差ms、參比電極電位EREF和溶液與膜界面的能斯特電位EM 組成。若柵極電壓等于2倍費(fèi)米勢(shì)，則半導(dǎo)體表面反型，形 成導(dǎo)電溝道。此時(shí)柵極所加電壓-閾值電壓VT*： VF費(fèi)米能級(jí)與禁帶寬度中央能級(jí)的電勢(shì)差；QSS為Si-SiO2界面處電荷密度；COX為單位面積的柵電容； QD為耗盡層中單位面積電荷。 v MOSFET傳感器利用其開(kāi)啟電壓隨待測(cè)物質(zhì)濃度變化特征來(lái) 工作。 v ISFET插入溶液時(shí)，待測(cè)溶液與敏感膜的界面勢(shì)被疊加到 柵敏感膜上，其值取決于待測(cè)離子濃度。例如：ISFET閾 值電壓與被測(cè)溶液中H+活度的對(duì)數(shù)成線性關(guān)系。 電位型傳感器電位型傳感器最早研究和應(yīng)用的電化學(xué)傳感

8、器 通過(guò)測(cè)定指示電極與參比電極的電位差 值與響應(yīng)離子活度的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系來(lái) 確定物質(zhì)的濃度。研究最多的是離子傳 感器ISE，亦離子選擇電極（例：PH傳 感器，即電位-PH計(jì)）。 v 響應(yīng)于特定的離子，四個(gè)基本部分組成： 電極腔體玻璃或高分子聚合物材料 內(nèi)參比電極通常為Ag/AgCl電極 內(nèi)參比溶液由氯化物及響應(yīng)離子的強(qiáng)電 解質(zhì)溶液組成 敏感膜對(duì)離子具有高選擇性的響應(yīng)膜 ISE測(cè)量原理 電極膜（核心部分）：對(duì)陽(yáng)離子有選擇性穿透的薄膜，當(dāng)電極浸 入含該離子的溶液中，選擇性敏感膜僅允許響應(yīng)離子由薄膜外表 面接觸的溶液進(jìn)入電極內(nèi)部溶液。內(nèi)部溶液中含有一定活度的平 衡離子，由于薄膜內(nèi)外離子活度不同響應(yīng)離

9、子由活度高的試樣溶 液向活度低的內(nèi)充溶液擴(kuò)散時(shí)有一瞬間的通量，因離子帶有電荷 電極敏感膜兩側(cè)電荷分布不均勻形成了雙電層結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生電位 差相間電位。 電極電位的大小與溶液中離子活度符合能斯持方程： ai響應(yīng)離子活度（不是濃度！) ai ln n k F RT E v 單電極絕對(duì)電勢(shì)無(wú)法測(cè)量，用參考電極構(gòu)成原電池測(cè)電極的相對(duì) 電動(dòng)勢(shì)值。 v 原電池反應(yīng)兩個(gè)電極中一個(gè)電極的電位隨被測(cè)離子濃度變化而變 化稱(chēng)指示電極，另一個(gè)電極不受離子濃度影響，具有恒定電位且 已知，稱(chēng)為參比電極。 測(cè)量過(guò)程中，離子選擇電極內(nèi)含有的已 知離子濃度的電極液，產(chǎn)生相電位，樣 本中離子活度不同，產(chǎn)生的電位信號(hào)的 大小也不同。通

10、過(guò)測(cè)量電極電位信號(hào)大 小就可以測(cè)定樣本中離子的活度。電極 內(nèi)液與樣本之間的離子濃度差使電極膜 產(chǎn)生的電化學(xué)電位由電極輸往放大器的 輸入端，放大器的另一個(gè)輸入端與參比 電極電位并接地，產(chǎn)生與濃度相對(duì)應(yīng)的 電壓差信號(hào)，這個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)一步放大， 形成電壓差響應(yīng)。 v 如將離子選擇性電極與甘汞電極組成電池，則電池電動(dòng)勢(shì)為： 離子選擇性電極的典型校正曲線 根據(jù)上式，只要配制一系列已知濃 度的標(biāo)準(zhǔn)溶液，并以測(cè)得的電動(dòng)勢(shì)E 值與相應(yīng)的濃度（對(duì)數(shù)）值繪制校 正曲線，即可按相同步驟求得未知 溶液中待測(cè)離子的濃度。 v 離子選擇電極分類(lèi) 電化學(xué)傳感器的應(yīng)用電化學(xué)傳感器的應(yīng)用 測(cè)量酸堿度和溫度的高精密度測(cè)量?jī)x器 可

11、靠的pH計(jì)/ORP電極 用于工藝和水測(cè)量 測(cè)量空氣中某成分含量 食品含量測(cè)定 質(zhì)量傳感器質(zhì)量傳感器 v壓電化學(xué)傳感器壓電化學(xué)傳感器 v 基于石英晶體的壓電效應(yīng)，對(duì)其電極表面質(zhì)量變化進(jìn)行測(cè) 量的裝置?；静考且粋€(gè)具有壓電效應(yīng)的石英晶體諧振 器。將一很薄的石英晶片兩面鍍上金屬薄層（電極材料） 構(gòu)成晶體振蕩元件，簡(jiǎn)稱(chēng)晶振。 v 壓電石英晶體諧振器基礎(chǔ)理論壓電石英晶體諧振器基礎(chǔ)理論 v 1.壓電效應(yīng)：當(dāng)某些晶體受到機(jī)械力而發(fā)生拉伸或壓縮時(shí)， 晶體相對(duì)的兩個(gè)表面會(huì)出現(xiàn)等量的異號(hào)電荷-壓電現(xiàn)象。 可逆，正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的總稱(chēng)。 v 正壓電效應(yīng)：由于它們結(jié)晶點(diǎn)陣的特殊結(jié)構(gòu)，當(dāng)它們發(fā)生機(jī)械形 變(如壓

12、縮或伸長(zhǎng))時(shí)，其相對(duì)的兩個(gè)表面會(huì)呈現(xiàn)異號(hào)電荷，外力 與端面積愈大，則出現(xiàn)的電荷就愈多。作用力撤去，電荷消失。 v 逆壓電效應(yīng)：當(dāng)壓電體上加電場(chǎng)時(shí)，壓電體會(huì)發(fā)生機(jī)械形變(伸 長(zhǎng)或縮短)。如果壓電體上加交變電場(chǎng)，則壓電體就會(huì)交替出現(xiàn) 伸長(zhǎng)和壓縮，即發(fā)生機(jī)械振動(dòng)。電場(chǎng)作用力撤除后，形變也消失。 v 電致伸縮效應(yīng)：電介質(zhì)在電場(chǎng)作用下由于誘導(dǎo)極化引起的變形， 應(yīng)變的正負(fù)與外電場(chǎng)方向無(wú)關(guān)。 2.壓電材料 v 3壓電石英晶體諧振器 v 晶體的主要特征原子或分子有規(guī)律排列，宏觀上是外形對(duì) 稱(chēng)性。在電場(chǎng)的作用下，晶體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力而形變，從而 產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，獲得特定的頻率。利用這種逆壓電效應(yīng)特 性來(lái)制造石英晶體諧

13、振器。利用制成的諧振元件與半導(dǎo)體 器件和阻容元件一起使用,便可構(gòu)成石英晶體振蕩器。 v 若諧振器由石英制成，稱(chēng)為石英晶體微天平（QCM）。 等效電路：石英晶體諧振器的振 動(dòng)實(shí)質(zhì)上是一種機(jī)械振動(dòng)。實(shí)際 上，石英晶體諧振器可以被一個(gè) 具有電子轉(zhuǎn)換性能的兩端網(wǎng)絡(luò)測(cè) 出。這個(gè)回路包括L1、C1，同時(shí) C0作為一個(gè)石英晶體的絕緣體的 電容被并入回路，與彈性振動(dòng)有 關(guān)的阻抗R1是在諧振頻率時(shí)石英 晶體諧振器的諧振阻抗。 內(nèi)容重復(fù)！內(nèi)容重復(fù)！ 懸臂梁化學(xué)傳感器懸臂梁化學(xué)傳感器 v 最柔韌的微機(jī)械系統(tǒng)之一，特性把懸臂梁機(jī)械行為轉(zhuǎn)換為 可檢測(cè)的信號(hào)。懸臂梁由硅類(lèi)化合物）硅、二氧化硅、氮 化硅、金剛石）組成?？蓹z

14、測(cè)氣體、溫度、壓力、生物、 力學(xué)等變量。 v 懸臂梁分為靜態(tài)、動(dòng)態(tài)兩種檢測(cè)模式。 v 基本原理 靜態(tài)模式：通過(guò)懸臂梁的彎曲把需要 檢測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)信號(hào)。4-38 v 一束激光照在懸臂梁傳感器單表面， 反射光由一個(gè)相位靈敏調(diào)解器接收后 輸出進(jìn)行分析。當(dāng)懸臂梁傳感器由于 單表面吸附物質(zhì)發(fā)生彎曲后，光的照 射位置和反射角都會(huì)發(fā)生變化。通過(guò) 測(cè)量這一變化實(shí)現(xiàn)目標(biāo)化合物的檢測(cè)。 4-39 v 檢測(cè)依賴于懸臂梁表面產(chǎn)生力的變化， 因而傳感器對(duì)目標(biāo)化合物的吸附或固 定必須僅在懸臂梁一面發(fā)生，使得可 測(cè)量壓力信號(hào)最大。 v 懸臂梁盡量長(zhǎng)且柔軟，增大其偏轉(zhuǎn)。 動(dòng)態(tài)模式：通過(guò)懸臂梁的共振頻 率變化和懸臂梁的

15、衰減把所需要 測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為可檢測(cè)信號(hào)。 可同時(shí)檢測(cè)懸臂梁表面壓力和質(zhì) 量變化，可得到更多傳感器信息， 不需將目標(biāo)化合物吸附限制在懸 臂梁?jiǎn)蚊?。通過(guò)測(cè)量懸臂梁共振 和衰減效應(yīng)可確定懸臂梁周?chē)鷼?體或液體的粘性、密度。 懸臂梁盡量短且堅(jiān)硬，使其操作效率高。 v 靜態(tài)檢測(cè)模式 v 針對(duì)傳感器彎曲進(jìn)行檢測(cè)，質(zhì)量增加、溫度變化都會(huì)引起懸臂梁 傳感器彎曲。 v 正常情況下，作用在懸臂梁兩表面作用力相等。其中一面吸附物 質(zhì)而質(zhì)量增加時(shí)會(huì)使兩表面作用力不等，引起懸臂梁彎曲。彎曲 曲率半徑R： S E R t 2 -161 m E C t l ymax 2 2 13 t懸臂梁厚度；泊松比率； E youn

16、g系數(shù)； S表面壓力 S近似等于懸臂梁表面質(zhì)量變化：S=Cma C吸附分子粘性系數(shù)比例常數(shù) 那么長(zhǎng)度為l的懸臂梁彎曲最大距離ymax可表示為： R y l 2 2 v 動(dòng)態(tài)檢測(cè)模式 v 由其幾何形狀、彈性常數(shù)、共振頻率共同表征。 應(yīng)用應(yīng)用 熱化學(xué)傳感器熱化學(xué)傳感器 v 工作原理根據(jù)特定的化學(xué)反應(yīng)或?qū)Ρ环治鑫锏奈兆饔盟a(chǎn)生的 熱效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量，從而對(duì)待測(cè)物進(jìn)行定性分析。 v 量熱學(xué)主要應(yīng)用了能量守恒定律和熱傳遞定律，熱化學(xué)傳感器需 要對(duì)熱效應(yīng)及熱交換速率進(jìn)行精確測(cè)量。 v 熱效應(yīng)測(cè)量途徑：測(cè)量溫度變化、測(cè)量保持等溫條件所需能量、 通過(guò)固定導(dǎo)熱系數(shù)測(cè)量溫差。 v 溫度檢測(cè)元件：利用換能器的電磁參數(shù)

17、（電阻、磁導(dǎo)、電 勢(shì)）具有隨溫度變化而變化的特性，來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量的器 件，主要有熱電阻、熱電偶、熱電堆和pn結(jié)等，通常與電 流放大器結(jié)合起來(lái)實(shí)現(xiàn)能量形式的轉(zhuǎn)換。 v 熱電阻：熱電阻：電阻值隨溫度變化而變化的金屬導(dǎo)體材料。它的 主要特點(diǎn)是測(cè)量精度高，性能穩(wěn)定，主要用于測(cè)量-200 500內(nèi)溫度。制作材料主要是純金屬，工業(yè)測(cè)量用金屬 熱電阻材料鉑、銅，并已制成標(biāo)準(zhǔn)測(cè)溫?zé)犭娮琛?t1 0t RR 鉑電阻與溫度之間關(guān)系接近于直 線，適合精確測(cè)量。 銅電阻精確要求不高，測(cè)溫范圍 較小-150150。銅電阻與溫度 之間呈線性關(guān)系，電阻與溫度滿 足關(guān)系式： v 熱敏電阻熱敏電阻：用半導(dǎo)體材料制成、電阻隨溫度

18、變化而顯著的 敏感元件。按物理特性一般分為負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻 （NTC）、正溫度系數(shù)熱敏電阻（PTC）、臨界溫度系數(shù) 熱敏電阻（CTR）。穩(wěn)定致密而粗糙的陶瓷樣半導(dǎo)體小珠、 棒狀或者盤(pán)狀，由鐵、銅、鎳、錳、鋅、鈦、鎂等燒結(jié)而 成。 v 熱電偶熱電偶：利用半導(dǎo)體或半導(dǎo)體的熱電效應(yīng)將溫度的變化轉(zhuǎn) 換為電勢(shì)變化的一種原件。（塞貝克效應(yīng)：指在兩種不同 導(dǎo)電材料構(gòu)成的閉合回路中，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，回 路中產(chǎn)生的電勢(shì)使熱能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N現(xiàn)象。） v 熱電堆熱電堆：將熱電偶串聯(lián)集合在一起的熱電器件，可顯著提 高所輸出的電動(dòng)勢(shì)。 由于聚合物膜對(duì)被分析物 分子的吸附（凝結(jié)熱）或 者解吸附（蒸發(fā)熱）時(shí)會(huì) 引起焓變，可利用基于塞 貝克效應(yīng)的量熱計(jì)進(jìn)行檢 測(cè)。如圖，該焓變會(huì)導(dǎo)致 微加工的隔熱膜的溫度變 化，熱端與冷端所形成的 熱電壓和溫度差成正比， 量熱傳感器所檢測(cè)的是瞬 變信號(hào)，即被分析物濃度 的變化。 催化燃燒式氣體傳感器催化燃燒式氣體傳感器 v 利用催化燃燒的熱效應(yīng)原理，由檢測(cè)元件和補(bǔ)償元件配對(duì) 構(gòu)成測(cè)量電橋，在一定溫度條件下，可燃?xì)怏w在檢測(cè)元件 載體表面及催化劑的作用下發(fā)生無(wú)焰氧化燃燒，產(chǎn)生的熱 量使載體溫度升高，內(nèi)部的電阻也相應(yīng)升高，從而使平衡