半導體傳感器的原理技術論文

..半導體傳感器的原理、應用及發(fā)展作者摘要：本文主要評述半導體傳感器例如磁敏,色敏,離子敏,氣敏,濕敏的傳感器的原理,在機械工程中的應用及目前的發(fā)展前景。關鍵詞：半導體傳感器,磁敏、色敏、離子敏、氣敏、濕敏、工作原理、現狀、發(fā)展趨勢、應用Principle,applicationanddevelopmentofsemiconductorsensorAuthor〔Departmentofmechanicalandelectricalengineering,HunanInstituteofScienceandTechnology,Hunan414000,China;Abstract:inthispaper,theprincipleofsemiconductorsensors,suchasmagnetosensitive,colorsensitive,ionsensitive,gassensitive,humiditysensitivesensors,isintroduced.Keywords:semiconductorsensor,magneticsensitive,colorsensitive,ionsensitive,gassensitive,humiditysensitive,workingprinciple,currentsituation,developmenttrend,applicationTOC\o"1-4"\h\u半導體傳感器的原理、應用及發(fā)展1一、概述3二、分類31、磁敏傳感器3磁敏傳感器的工作原理31.磁敏電阻器32.磁敏二極管43.霍爾傳感器4磁敏傳感器的發(fā)展與應用42、色敏傳感器5色敏傳感器工作原理51.光敏二極管工作原理5色敏傳感器的應用63、離子敏傳感器7離子敏傳感器工作原理71.ISFET的工作原理72.離子敏感膜7離子敏傳感器的應用74、氣敏傳感器8氣敏傳感器的工作原理81.電阻型氣敏原件92.非電阻型半導體氣敏傳感器9氣敏傳感器應用105、濕敏傳感器10濕敏傳感器工作原理111.氯化鋰濕敏電阻112.半導體陶瓷濕敏電阻11負特性濕敏半導瓷的導電機理11正特性濕敏半導瓷的導電機理12典型半導瓷濕敏元件12濕敏傳感器的應用13三、半導體傳感器的現狀與發(fā)展趨勢13一、概述由于電子技術的飛速發(fā)展,以半導體傳感器為代表的各種固態(tài)傳感器相繼問世,半導體傳感器以其易于實現集成化,微型化,靈敏度高等諸多優(yōu)點,一直引起世界各國科學家的重視和興趣,并且越來越多的應用于各個行業(yè)。半導體傳感器利用半導體材料易受外界條件影響的物理特性制成的傳感器,器種類繁多,它利用近百種物理效應和材料的特性,具有類似于人眼、耳、鼻、舌、皮膚等多種感覺功。半導體傳感器的優(yōu)點是靈敏度高、響應速度快、體積小、重量輕、便于集成化、智能化,能使檢測轉換一體化。半導體傳感器的主要應用領域是工業(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。二、分類磁敏傳感器磁敏傳感器的工作原理磁敏傳感器是利用半導體材料中的自由電子或者空穴隨磁場改變其運動方向這一特性而制成的,總的來說磁敏傳感器就是基于磁電轉換原理的傳感器。磁敏傳感器主要有磁敏電阻、磁敏二極管、磁敏三極管和霍爾式磁敏傳感器。1.磁敏電阻器磁阻效應將一載流導體置于外磁場中,除了產生霍爾效應外,其電阻也會隨磁場而變化,這種效應成為磁電阻效應,簡稱磁阻效應。磁敏電阻器就是利用磁阻效應制成的一種磁敏元件。當溫度恒定時,在弱磁場范圍內,磁阻與磁感應強度B的平方成正比。對于只有電子參與導電的最簡單的情況,理論推出磁阻效應的表達式為ρB=ρ0〔1+0.273μ2B2式中B磁感應強度；μ載流子遷移率；ρ0零磁場下的電阻率；ρB磁感應強度為B時的電阻率。設電阻率的變化為△ρ=ρB-ρ0,則電阻率的相對變化率為△ρ/ρ0=0.273μ2B2=K﹙μB﹚2由上式可知,磁場一定時,遷移率高的材料磁阻效應明顯。磁敏電阻的應用一般用于磁場強度、漏磁、制磁的檢測；在交流變換器、頻率變換器、功率電壓變換器、位移電壓變換器、等電路中作控制元件；還可用于接近開關、磁卡文字識別、磁電編碼器、電動機測速等方面或制作磁敏傳感器用。2.磁敏二極管晶體二極管為一個由p型半導體和n型半導體形成的p-n結,在其界面處兩側形成空間電荷層,并建有自建電場。當不存在外加電壓時,由于p-n結兩邊載流子濃度差引起的擴散電流和自建電場引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當外界有正向電壓偏置時,外界電場和自建電場的互相抑消作用使載流子的擴散電流增加引起了正向電流。當外界有反向電壓偏置時,外界電場和自建電場進一步加強,形成在一定反向電壓范圍內與反向偏置電壓值無關的反向飽和電流I0。當外加的反向電壓高到一定程度時,p-n結空間電荷層中的電場強度達到臨界值產生載流子的倍增過程,產生大量電子空穴對,產生了數值很大的反向擊穿電流,稱為二極管的擊穿現象。在電路中,P＋區(qū)接正電極,N＋區(qū)接負電極,即給磁敏二極管加上正電壓時,P＋區(qū)向i區(qū)注人空穴,N＋區(qū)向i區(qū)注入電子。在沒有外加磁場時,大部分的空穴和電子分別流人N＋區(qū)和P＋區(qū)而產生電流,只有很少一部分載流子在i區(qū)或r區(qū)復合。此時i區(qū)有固定的阻值,器件呈穩(wěn)定狀態(tài)。若給磁敏二極管外加一個磁場B＋時,在正向磁場的作用下,空穴和電子在洛侖茲力的作用下偏向r區(qū)。由于空穴和電子在,區(qū)的復合速率大,因此載流子復合掉的比沒有磁場時大得多,從而使i區(qū)中的載流子數目減少,i區(qū)電阻增大,該區(qū)的電壓降也增加,又使P＋與N＋結的結壓降減小,導致注人到i區(qū)的載流子數目減少。其結果是使i區(qū)的電阻繼續(xù)增大,其壓降也繼續(xù)增大,形成正反饋過程,直到迸人某一動平衡狀態(tài)為止。當給磁敏二極管加一個反向磁場B-時,載流子在洛侖茲力的作用下均偏離復合區(qū)r。其偏離,區(qū)的結果與加正向磁場時的情況恰恰相反,此時磁敏二極管的正向電流增大,電阻減小。磁敏二極管可用來檢測交、直流磁場,特別適合測量弱磁場；可制作鉗位電流計,,對高壓線進行不斷線、無接觸電流測量,還可作無接觸電位計等。3.霍爾傳感器霍爾傳感器是依據霍爾效應制成的器件。霍爾效應：通電的載體在受到垂直于載體平面的外磁場作用時,則載流子受到洛倫茲力的作用,并有向兩邊聚集的傾向,由于自由電子的聚集從而形成電勢差,在經過特殊工藝制備的半導體材料這種效應更為顯著。從而形成了霍爾元件。為增強對磁場的敏感度,在材料方面半導體IIIV元素族都有所應用?；魻柶骷捎谄涔ぷ鳈C理的原因都制成全橋路器件,其內阻大約都在150Ω~500Ω之間。對線性傳感器工作電流大約在2~10mA左右,一般采用恒流供電法。磁敏傳感器的發(fā)展與應用將磁敏傳感器用于各種測磁儀中,其應用范圍包括工業(yè)、農業(yè)、交通運輸、國防、軍事、航空航天、海洋、氣象、醫(yī)療衛(wèi)生、家庭、辦公等等,可謂無所不至。色敏傳感器色敏傳感器工作原理半導體色敏傳感器是半導體光敏器件的一種。它也是基于半導體的內光效應,將光信號變成為電信號的光輻射探測器件。半導體色敏器件可用來直接測量從可見光到近紅外波段內單色輻射的波長。半導體色敏傳感器相當于兩只結構不同的光電二極管的組合,故又稱雙結光電二極管。色敏器件之所以能夠識別顏色,其理論基礎就是依據光的吸收特性,即當入射到光敏二極管上的光照強度保持一定時,輸出的光電流則隨入射光的波長的改變而變化,光敏二極管的光敏特性,從PN結表面開始,隨結的深度而變化,這樣由于光的波長不同,便可以反射出顏色的差異。光敏二極管工作原理用半導體硅制造的光敏二極管,在受光照射時,若入射光子的能量hf大于硅的禁帶寬度Eg,則光子就激發(fā)價帶子中的電子躍遷到導帶,而產生一對電子空穴。這些由光子激發(fā)而產生的電子-空穴通稱為光生載流子。光敏二極管的基本部分是一個P-N結。產生的光生載流子只要能擴散到勢壘區(qū)的邊界,其中少數載流子就受勢壘區(qū)強電場的吸引而被拉向背面區(qū)域。這部分少數載流子就對電流做出貢獻。多數載流子則受勢壘區(qū)電場的排斥而留在勢壘的邊緣。在勢壘區(qū)內產生的光生電子和光生空穴則分別被電場掃向N區(qū)和P區(qū),它們對電流也有貢獻。當P-N結開路或接有負載時,勢壘區(qū)電場收集的光生載流子便要在勢壘區(qū)兩邊積累,從而使P區(qū)電位升高,N區(qū)電位降低,造成一個光生電動勢,如圖9-11〔b所示。該電動勢使原P-N結的勢壘高度下降為q〔UＤ-U。其中V即光生電動勢,它相當于在P-N結上加了正向偏壓。只不過這是光照形成的,而不是電源饋送的,這稱為光生電壓,這種現象就是光生伏特效應。當P-N結外電路短路時,這個光電流將全部流過短接回路,即從P區(qū)和勢壘區(qū)流入N區(qū)的光生電子將通過外短接回路全部流到P區(qū)電極處,與P區(qū)流出的光生空穴復合。這時,P-N結中的載流子濃度保持平衡值,勢壘高度亦無變化。半導體色敏傳感器中所表示的P＋-N-P不是晶體管,而是結深不同的兩個P-N結二極管,淺結的二極管是P＋-N結;深結的二極管是P-N結。當有入射光照射時,P＋、N、P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)中都有光子吸收,但效果不同。因此,紫外光部分吸收系數大,經過很短距離已基本吸收完畢。在此,淺結的即是光電二極管對紫外光的靈敏度高,而紅外部分吸收系數較小,這類波長的光子則主要在深結區(qū)被吸收。因此,深結的那只光電二極管對紅外光的靈敏度較高。在半導體中不同的區(qū)域對不同的波長分別具有不同的靈敏度。這一特性可以用來測量入射光的波長。硅色敏管中VD１和VD２的光譜響應曲線就構成了可以測定波長的半導體色敏傳感器。色敏傳感器的應用半導體色敏傳感器可用于測量光源的色溫度、波長；測量、控制光源的色溫度；選擇、鑒別發(fā)光二極管的發(fā)光波長；識別彩色紙的顏色；識別色標；檢查顏料、染料的顏色等,如在工程實際中,常需對顏色進行檢測,如工廠自動化、辦公自動化、彩色電視機的顏色調整、商品代碼顏色的讀取、機器人顏色識別等。離子敏傳感器離子敏傳感器工作原理離子敏感器件是一種對離子具有選擇敏感作用的場效應晶體管。它是由離子選擇性電極〔ISE與金屬-氧化物-半導體場效應晶體管〔MOSFET組合而成的,簡稱ISFET。離子傳感器是將溶液中的離子活度轉換為電信號的傳感器、其基本原理是利用固定在敏感膜上的離子識別材料有選擇性的結合被傳感的離子,從而發(fā)生膜電位或膜電壓的改變,達到檢測的目的。1.ISFET的工作原理ISFET用對離子有選擇性影響的敏感膜替換普通的MOSFET的金屬鋁柵,當敏感膜直接接觸被測離子溶液時,與離子相互作用,調制場效應晶體管的漏極電流,以檢測溶液中離子的活度。ISFET的基本結構如圖所示,沒有金屬柵極,柵介質裸露或在其上涂敷對離子敏感的敏感膜,與參比電極以及待測溶液一起起著柵電極的作用。參比電極上所加的電壓通過待測溶液加到絕緣柵上,是半導體表面反型,形成導電溝道。如果參比電極上施加的電壓正好使半導體表面反型,這時參比電極上的電壓稱為閾值電壓。對于特定結構的ISFET,閾值電壓的變化只由電解液與柵介質界面處的化學勢決定,而化學勢的大小取決于敏感膜的性質和電解液中的離子活度。因此通過ISFET閾值電壓的變化能夠測量電解液中離子的活度。離子敏感膜離子敏感膜是ISFET的重要部分,是響應不同離子并將其化學量轉換為電學量的關鍵。不同的柵介質和敏感膜可以派生出多種ISFET。如無機絕緣膜、固態(tài)敏感膜、有機高分子PVC膜。離子敏傳感器的應用可以用來測量離子敏感電極<ISE>所不能測量的生物體中的微小區(qū)域和微量離子。因此,它在生物醫(yī)學領域中具有很強的生命力。此外,在環(huán)境保護、化工、礦山、地質、水文以及家庭生活,醫(yī)學,生理學等各方面都有其應用。4、氣敏傳感器氣敏傳感器的工作原理半導體氣敏傳感器,是利用半導體氣敏元件同氣體接觸,造成半導體性質變化,借此來檢測特定氣體的成分或者測量其濃度的傳感器的總稱。氣敏傳感器可以把氣體的特定成分和濃度檢測出來,并將它轉換成電信號的器件。氣敏傳感器是在壓電晶體表面涂覆一層選擇性吸附某氣體的氣敏薄膜,當該氣敏薄膜與待測氣體相互作用使得氣敏薄膜的膜層質量和導電率發(fā)生變化時,引起壓電晶體的聲表面波頻率發(fā)生漂移；氣體濃度不同,膜層質量和導電率變化程度亦不同,即引起聲表面波頻率的變化也不同。通過測量聲表面波頻率的變化就可以準確的反應氣體濃度的變化。按照半導體變化的物理特性,又可分為電阻型和非電阻型,電阻型半導體氣敏元件是利用敏感材料接觸氣體時,其阻值變化來檢測氣體的成分或濃度；非電阻型半導體氣敏元件是利用其它參數,如二極管伏安特性和場效應晶體管的閾值電壓變化來測被測氣體的。半導體氣敏傳感器是利用氣體在半導體表面的氧化和還原反應導致敏感元件阻值變化而制成的。當半導體器件被加熱到穩(wěn)定狀態(tài),在氣體接觸半導體表面而被吸附時,被吸附的分子首先在表面物性自由擴散,失去運動能量,一部分分子被蒸發(fā)掉,另一部分殘留分子產生熱分解而固定在吸附處。當半導體的功函數小于吸附分子的親和力時,吸附分子將從器件奪得電子而變成負離子吸附,半導體表面呈現電荷層。如果半導體的功函數大于吸附分子的離解能,吸附分子將向器件釋放出電子,而形成正離子吸附。當氧化型氣體吸附到N型半導體上,還原型氣體吸附到P型半導體上時,將使半導體載流子減少,而使電阻值增大。當還原型氣體吸附到N型半導體上,氧化型氣體吸附到P型半導體上時,則載流子增多,使半導體電阻值下降。下圖表示了氣體接觸N型半導體時所產生的器件阻值變化情況。若氣體濃度發(fā)生變化,其阻值也將變化?？梢詮淖柚档淖兓弥綒怏w的種類和濃度。1.電阻型氣敏原件圖<a>為燒結型氣敏器件。這類器件以SnO2半導體材料為基體,將鉑電極和加熱絲埋入SnO2材料中,用加熱、加壓、溫度為700~900℃的制陶工藝燒結成形。因此,被稱為半導體陶瓷,簡稱半導瓷。燒結型器件制作方法簡單,器件壽命長；但由于燒結不充分,器件機械強度不高,電極材料較貴重,電性能一致性較差,因此應用受到一定限制。圖<b>為薄膜型器件。它采用蒸發(fā)或濺射工藝,在石英基片上形成氧化物半導體薄膜,制作方法也很簡單。SnO2半導體薄膜的氣敏特性最好,但這種半導體薄膜為物理性附著,因此器件間性能差異較大。圖<c>為厚膜型器件。這種器件是將氧化物半導體材料與硅凝膠混合制成能印刷的厚膜膠,再把厚膜膠印刷到裝有電極的絕緣基片上,經燒結制成的。由于這種工藝制成的元件機械強度高,離散度小,適合大批量生產。2.非電阻型半導體氣敏傳感器非電阻型氣敏器件也是半導體氣敏傳感器之一。它是利用MOS二極管的電容—電壓特性的變化以及MOS場效應晶體管<MO的閾值電壓的變化等物性而制成的氣敏元件。〔1MOS二極管氣敏器件MOS二極管氣敏元件制作過程是在P型半導體硅片上,利用熱氧化工藝生成一層厚度為50~100nm的二氧化硅<SiO2>層,然后在其上面蒸發(fā)一層鈀<Pd>金屬薄膜,作為柵電極,如圖<a>所示。由于SiO2層電容Ca固定不變,而Si和SiO2界面電容Cs是外加電壓的函數如圖<b>,因此由等效電路可知,總電容C也是柵偏壓的函數。其函數關系稱為該類MOS二極管的C-U特性,如圖〔c曲線a所示。由于鈀對氫氣<H2>特別敏感,當鈀吸附了H2以后,會使鈀的功函數降低,導致MOS管的C-U特性向負偏壓方向平移,如圖<c>曲線b所示。根據這一特性就可用于測定H2的濃度?！?>MOS場效應晶體管氣敏器件MOS場效應晶體管的結構,參見下圖。當H2吸附在Pd柵極上時,會引起Pd的功函數降低。當柵極<G>、源極<S>之間加正向偏壓UGS,且UGS>UT<閾值電壓>時,則柵極氧化層下面的硅從P型變?yōu)镹型。這個N型區(qū)就將源極和漏極連接起來,形成導電通道,即為N型溝道。此時,MOSFET進入工作狀態(tài)。若此時,在源<S>漏<D>極之間加電壓UDS,則源極和漏極之間有電流<IDS>流通。ISD隨UDS和UGS的大小而變化,其變化規(guī)律即為MOSFET的伏-安特性。當UGS<UT時,MOSFET的溝道未形成,故無漏源電流。UT的大小除了與襯底材料的性質有關外,還與金屬和半導體之間的功函數有關。Pd—MOSFET氣敏器件就是利用H2在鈀柵極上吸附后引起閾值電壓UT下降這一特性來檢測H2濃度的。氣敏傳感器應用半導體氣敏傳感器由于具有靈敏度高、響應時間和恢復時間快、使用壽命長以及成本低等優(yōu)點,從而得到了廣泛的應用。最早用于可燃氣體及瓦斯泄漏報警器,有毒氣體的檢測、容器或管道的泄漏,環(huán)境監(jiān)測、鍋爐及汽車的燃燒監(jiān)測與控制、工業(yè)過程的監(jiān)測與自動控制熱水器等方面。5、濕敏傳感器濕敏傳感器工作原理濕敏傳感器是能夠感受外界濕度變化,并通過器件材料的物理或化學性質變化,將濕度轉化成有用信號的器件。1.氯化鋰濕敏電阻氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解,離子導電率發(fā)生變化而制成的測濕元件。它由引線、基片、感濕層與電極組成,如圖所示。氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體,當溶液置于一定溫濕場中,若環(huán)境相對濕度高,溶液將吸收水分,使?jié)舛冉档?因此,其溶液電阻率增高。反之,環(huán)境相對濕度變低時,則溶液濃度升高,其電阻率下降,從而實現對濕度的測量。氯化鋰濕敏元件的優(yōu)點是滯后小,不受測試環(huán)境風速影響,但其耐熱性差,不能用于露點以下測量,器件性能的重復性不理想,使用壽命短。2.半導體陶瓷濕敏電阻半導體陶瓷濕敏電阻通常是用兩種以上的金屬氧化物半導體材料混合燒結而成的多孔陶瓷。這些材料有ZnO-LiO、2-V2O5系、Si-Na2O-V2O5系、TiO2-MgO-Cr2O3系、Fe3O4等,前三種材料的電阻率隨濕度增加而下降,故稱為負特性濕敏半導體陶瓷,最后一種的電阻率隨濕度增大而增大,故稱為正特性濕敏半導體陶瓷。負特性濕敏半導瓷的導電機理由于水分子中的氫原子具有很強的正電場,當水在半導瓷表面吸附時,就有可能從半導瓷表面俘獲電子,使半導瓷表面帶負電。如果該半導瓷是Ｐ型半導體,則由于水分子吸附使表面電勢下降。若該半導瓷為Ｎ型,則由于水分子的附著使表面電勢下降。如果表面電勢下降較多,不僅使表面層的電子耗盡,同時吸引更多的空穴達到表面層,有可能使到達表面層的空穴濃度大于電子濃度,出現所謂表面反型層,這些空穴稱為反型載流子。圖9-5表示了幾種負特性半導瓷阻值與濕度之關系。正特性濕敏半導瓷的導電機理正特性濕敏半導瓷的導電機理認為這類材料的結構、電子能量狀態(tài)與負特性材料有所不同。當水分子附著半導瓷的表面使電勢變負時,導致其表面層電子濃度下降,于是,表面電阻將由于電子濃度下降而加大,這類半導瓷材料的表面電阻將隨濕度的增加而加大。通常濕敏半導瓷材料都是多孔的,表面電導占的比例很大,故表面層電阻的升高,將引起總電阻值的明顯升高。典型半導瓷濕敏元件1.MgCr2O4-TiO2濕敏元件氧化鎂復合氧化物-二氧化鈦濕敏材料通常制成多孔陶瓷型"濕—電"轉換器件,它是負特性半導瓷,MgCr2O4為Ｐ型半導體,它的電阻率低,阻值溫度特性好。2.ZnO-Cr2O3陶瓷濕敏元件ZnO-Cr2O3濕敏元件的結構是將多孔材料的金電極燒結在多孔陶瓷圓片的兩表面上,并焊上鉑引線,然后將敏感元件裝入有網眼過濾的方形塑料盒中用樹脂固定。ZnO-Cr2O3傳感器能連續(xù)穩(wěn)定地測量濕度,而無須加熱除污裝置,因此功耗低,體積小,成本低,是一種常用測濕傳感器。3.四氧化三鐵〔Fe3O4濕敏器件四氧化三鐵濕敏器件由基片、電極和感濕膜組成。Fe3O4濕敏器件在常溫、常濕下性能比較穩(wěn)定,有較強的抗結露能力,測濕范圍廣,有較為一致的濕敏特性和較好的溫度-濕度特性,但器件有較明顯的濕滯現象,響應時間長。濕敏傳感器的應用濕敏傳感器已經廣泛地用于各種場合的濕度監(jiān)測、控制與報警,工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、林業(yè)和畜牧業(yè)等各個領域。半導體傳感器的現狀與發(fā)展趨勢半導體傳感器使用半導體材料,利用半導體材料對周圍環(huán)境的敏感性制成各種傳感器,除上述磁敏、色敏、離子敏、氣敏、濕敏等半導體傳感器外,還有力敏,熱敏,溫度敏、生物敏等種類繁多的傳感器。隨著傳感器應用領域的不斷擴大依賴于各學科的發(fā)展和相互滲透,傳感器不斷向高精度化、高可靠性、微功耗及無源化等方向發(fā)展,更精一步向智能化、微型化、集成化方向發(fā)展。21世紀人類將進入"3T"〔1T=1012紀元,作為信息技術的重要組成部分的半導體傳感器的主要發(fā)展趨勢是,發(fā)展基于新原理,新材料和新技術的更加靈敏、精確、智能化和人性化的傳感器材料與器件,以滿足信息技術的迅速發(fā)展。長期以來,傳感器材料和器件的開發(fā)和利用,主要是面向工業(yè)、國防和科技事業(yè)。到二十世紀后期,則逐漸向與人類的生存狀況密切相關的環(huán)境、生態(tài)、特別