机械工程测试技术论文 崔孟阳
2020-03-03 11:30:21 来源：范文大全收藏下载本文
半导体传感器的原理、应用及发展
专业：机械设计制作及其自动化
班级：机制1306
姓名：崔孟阳
学号：
13110101214 日期：2016年4月16日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，在机械工程中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=ρ
0（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-ρ 0，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。
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。
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
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SnO2材料中，用加热、加压、温度为700~900℃的制陶工艺烧结成形。因此，被称为半导体陶瓷， 简称半导瓷。烧结型器件制作方法简单，器件寿命长；但由于烧结不充分，器件机械强度不高，电极材料较贵重，电性能一致性较差，因此应用受到一定限制。
图(b)为薄膜型器件。它采用蒸发或溅射工艺，在石英基片上形成氧化物半导体薄膜，制作方法也很简单。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，因此器件间性能差异较大。
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，适合大批量生产。
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—电压特性的变化以及MOS场效应晶体管(MO的阈值电压的变化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过程是在P型半导体硅片上，利用热氧化工艺生成一层厚度为50~100 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)特别敏感，当钯吸附了H2以后，会使钯的功函数降低，导致MOS管的C-U特性向负偏压方向平移，如图 (c)曲线b所示。根据这一特性就可用于测定H2的浓度。
（2)MOS场效应晶体管气敏器件 MOS场效应晶体管的结构， 参见下图。当H2吸附在Pd栅极上时，会引起Pd的功函数降低。当栅极(G)、源极(S)之间加正向偏压UGS，且UGS>UT(阈值电压)时，则栅极氧化层下面的硅从P型变为N型。 这个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。此时，MOSFET进入工作状态。若此时，在源(S)漏(D)极之间加电压UDS，则源极和漏极之间有电流(IDS)流通。ISD随UDS和UGS的大小而变化，其变化规律即为MOSFET的伏-安特性。 当UGS
气敏传感器应用
半导体气敏传感器由于具有灵敏度高、响应时间和恢复时间快、使用寿命长以及成本低等优点，从而得到了广泛的应用。最早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、锅炉及汽车的燃烧监测与控制、工业过程的监测与自动控制热水器等方面。
5、湿敏传感器
湿敏传感器工作原理
湿敏传感器是能够感受外界湿度变化，并通过器件材料的物理或化学性质变化，将湿度转化成有用信号的器件。
1.氯化锂湿敏电阻
氯化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。它由引线、基片、感湿层与电极组成，如图所示。
氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体,当溶液置于一定温湿场中, 若环境相对湿度高, 溶液将吸收水分， 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, 则溶液浓度升高, 其电阻率下降, 从而实现对湿度的测量。
氯化锂湿敏元件的优点是滞后小, 不受测试环境风速影响,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理想, 使用寿命短。
2.半导体陶瓷湿敏电阻
半导体陶瓷湿敏电阻通常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-LiO、2-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，最后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, 当水在半导瓷表面吸附时, 就有可能从半导瓷表面俘获电子, 使半导瓷表面带负电。如果该半导瓷是Ｐ型半导体, 则由于水分子吸附使表面电势下降。若该半导瓷为Ｎ型, 则由于水分子的附着使表面电势下降。如果表面电势下降较多, 不仅使表面层的电子耗尽, 同时吸引更多的空穴达到表面层, 有可能使到达表面层的空穴浓度大于电子浓度, 出现所谓表面反型层, 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认为这类材料的结构、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表面使电势变负时, 导致其表面层电子浓度下降, 于是, 表面电阻将由于电子浓度下降而加大, 这类半导瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。通常湿敏半导瓷材料都是多孔的, 表面电导占的比例很大, 故表面层电阻的升高, 将引起总电阻值的明显升高。
典型半导瓷湿敏元件
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Ｐ型半导体，它的电阻率低，阻值温度特性好。
2.ZnO-Cr2O3陶瓷湿敏元件 ZnO-Cr2O3湿敏元件的结构是将多孔材料的金电极烧结在多孔陶瓷圆片的两表面上，并焊上铂引线，然后将敏感元件装入有网眼过滤的方形塑料盒中用树脂固定。ZnO-Cr2O3传感器能连续稳定地测量湿度，而无须加热除污装置，因此功耗低，体积小，成本低，是一种常用测湿传感器。
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、常湿下性能比较稳定，有较强的抗结露能力，测湿范围广，有较为一致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，响应时间长。
湿敏传感器的应用
湿敏传感器已经广泛地用于各种场合的湿度监测、控制与报警，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发展趋势
半导体传感器使用半导体材料，利用半导体材料对周围环境的敏感性制成各种传感器，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赖于各学科的发展和相互渗透，传感器不断向高精度化、高可靠性、微功耗及无源化等方向发展，更精一步向智能化、微型化、集成化方向发展。
21世纪人类将进入“3T”（1T=10 ¹²）纪元，作为信息技术的重要组成部分的半导体传感器的主要发展趋势是，发展基于新原理，新材料和新技术的更加灵敏、精确、智能化和人性化的传感器材料与器件，以满足信息技术的迅速发展。 长期以来，传感器材料和器件的开发和利用，主要是面向工业、国防和科技事业。到二十世纪后期，则逐渐向与人类的生存状况密切相关的环境、生态、特别是直接与人体和生命相关的医学领域扩展，如可对癌症、心血管疾病等进行早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行检测与监控的传感器等。这些新领域很有可能成为新世纪传感器材料与技术发展的另一个主要方向。
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