半导体式物性传感器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,传感器课程电子教案,哈尔滨工业大学光电信息与检测技术研究所,第十二章半导体式物性传感器,1970年，荷兰科学家Bergveld研制出了对氢离子响应的离子敏感场效应晶体管，标志着离子敏半导体传感器的诞生。,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。这类传感器主要是以半导体为敏感材料，在各种物理量的作用下引起半导体材料内载流子浓度或分布的变化，通过检测这些物理特性的变化，即可反映被测参数值。,与各种结构型传感器相比，具有如下特点：,1）由于传感器原理是基于物理变化的，因而没有相对运动部件，可以做到结构简单，微型化。,2）灵敏度高，动态性能好，输出为电物理量。,3）采用半导体为敏感材料容易实现传感器集成化和智能化。,4）功耗低，安全可靠。,半导体传感器也存在以下一些缺点：,1）线性范围窄，在精度要求高的场合应采用线性化补偿电路。,2）与所有半导体元件一样，输出特性易受温度影响而漂移，所以应采用补偿措施。,3）性能参数离散性大。,虽然存在上述问题，但半导体传感器仍是目前传感器发展的重要方向，尤其是大规模集成电路技术的不断发展，半导体传感器的技术也日臻完善。, ,本章主要介绍气敏、湿敏、磁敏、色敏和离子敏半导体式传感器。,第一节气敏传感器,第二节湿敏传感器,第三节 磁敏传感器,第四节色敏传感器,第五节离子敏传感器,第一节 气敏传感器,所谓半导体气敏传感器，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。,半导体气敏传感器的种类如表,主要物理特性,传感器举例,工作温度,典型被测气体,电阻式,表面控制型,氧化银、氧化锌,室温450,可燃性气体,体控制型,氧化钛、氧化镁、氧化钴,室温700,酒精、氧气,非电阻式,表面电位,氧化银,室温,硫醇,二极管整流特性,铂/硫化镉、铂/氧化钛,室温200,氢气、一氧化碳、酒精,晶体管特性,铂栅MOS场效应晶体管,室温150,氢气、硫化氢,车辆驾驶人员血液酒精含量大于或等于20mg/100ml，小于80mg/100m1的，属于酒驾；血液酒精含量大于或等于80mg/100m1的，属醉驾,饮酒后驾驶机动车的，处暂扣六个月机动车驾驶证，并处一千元以上二千元以下罚款。因饮酒后驾驶机动车被处罚，再次饮酒后驾驶机动车的，处十日以下拘留，并处一千元以上二千元以下罚款，吊销机动车驾驶证。 “醉酒驾驶机动车的，由公安机关交通管理部门约束至酒醒，吊销机动车驾驶证，依法追究刑事责任；五年内不得重新取得机动车驾驶证。,一、气敏半导体材料的导电机理,图a为烧结体N型半导瓷的模型。它是多晶体，晶粒间界有较高的电阻，晶粒内部电阻较低。图中分别以空白部分和黑点部分示意表示。导电通路的等效电路如图b所示。,图中,Rn,为颈部等效电阻，,Rb,为晶粒的等效体电阻，,Rs,为晶粒的等效表面电阻。其中,Rb,的阻值较低，它不受吸附气体影响。,Rs,和,Rn,则受吸附气体所控制，且,Rs,Rb,，,Rn,Rb,。由此可见，半导体气敏电阻的阻值将随吸附气体的数量和种类而改变。氧化型气体吸附到N型半导体上，将使载流子减少，从而使材料的电阻率增大。还原型气体吸附到N型半导体上，将使载流子增多，材料电阻率下降。根据这一特性，就可以从阻值变化的情况得知吸附气体的种类和浓度。,二、电阻型气敏器件,电阻型气敏器件在目前使用的比较广,泛。按其结构，可分为烧结型、薄膜型和厚,膜型三种 。,烧结型,这种器件一般分为内热式和旁热式两种结构,如图,1,、,2,、,4,、,5,电极,3SnO2,烧结体,1,、,2,、,4,、,5,电极,3,加热器,6SnO2,烧 结体,7,陶瓷绝缘管,内热式器件管芯体积一般都很小，加热丝直接埋在金属氧化物半导体材料内，兼作一个测量板，该结构制造工艺简单。其缺点是：热容量小，易受环境气流的影响；测量电路和加热电路之间相互影响；加热丝在加热和不加热状态下产生胀、缩，容易造成与材料接触不良的现象。,旁热式气敏器件的管芯是在陶瓷管内放置高阻加热丝，在瓷管外涂梳状金电极，再在金电极外涂气敏半导体材料。这种结构形式克服了内热式器件的缺点，使器件稳定性有明显提高。,2. 薄膜型,薄膜型气敏器件的制作首先需处理基片（玻,璃石英式陶瓷），焊接电极，之后采用蒸发或,溅射方法在石英基片上形成一薄层氧化物半导,体薄膜。实验测得SnO,2,和ZnO薄膜的气敏特,性较好。,薄膜型器件外形结构如图所,示,1、2、5、7引线3半导体,4电极6绝缘基片8加热器,这种器件具有较高的机械,强度，而且具有互换性好、,产量高、成本低等优点。,3. 厚膜型,其结构如图所示,1加热器2电极,3湿敏电阻4基片,此种元件一致性较,好，机械强度高，适于批,量生产，是一种有前途的,器件。,以上三种气敏器件都附有加热器。在实际应用时，加热器能使附着在测控部分上的油雾，尘埃等烧掉，同时加速气体的吸附，从而提高了器件的灵敏度和响应速度，一般加热到200400，具体温度视所掺杂质不同而异。,气敏器件的优点是：工艺简单，价格便宜，使用方便；对气体浓度变化响应快；即使在低浓度（3000mg/kg）下，灵敏度也很高。其缺点在于：稳定性差，老化较快，气体识别能力不强；各器件之间的特性差异大等。,各种可燃性气体的浓度与SnO,2,半导瓷传感器,的电阻率变化的关系如图,SnO,2,气敏器件易受环境温度和湿度的影,响。温湿度综合特性曲线图如下,三、非电阻型气敏器件,1.二极管气敏传感器,2.MOS二极管气敏器件,3.Pd-MOSFET气敏器件,第二节湿敏传感器,一、绝对湿度与相对湿度,所谓湿度，是指大气中所含的水蒸气量。它有两种最常用的表示方法，即绝对湿度和相对湿度。绝对湿度是指一定大小空间中水蒸气的绝对含量，可用“kg/m3”表示。绝对湿度也称水气浓度或水气密度。,绝对湿度也可用水的蒸气压来表示。设空气的水气密度为,v,，与之相应的水蒸气分压为,pv,，根据理想气体状态方程，可以得出其关系式为,m,水气的摩尔质量；,R,摩尔气体普适常数；,T,绝对温度。,在实际生活中，许多现象与湿度有关，如水分蒸发的快慢。然而除了与空气中水气分压有关外，更主要的是和水气分压与饱和蒸气压的比值有关。因此有必要引入相对湿度的概念。,相对湿度为某一被测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压的比值的百分数，常用%RH表示。这是一个无量纲的值。显然，绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出了大气的潮湿程度，故使用更广泛。,由于相对湿度低，人体表皮水分大量散失，导致人的皮肤弹性下降，加速皮肤衰老，出现表皮粗糙、细胞脱落等现象，一定程度上降低了皮肤抵抗病菌的能力,这种环境中居住，人易患呼吸道疾病和出现口干、唇裂、流鼻血等现象,相对湿度过低，还会导致木材水分散失，引起,家具,或木质地板变形、开裂和损坏；钢琴、提琴等对湿度要求高的乐器不能正常使用；文物、档案和图书脆化、变形。,相对湿度过高，又易使室内家具、衣物、,地毯,等织物生霉，铁器生锈，电子器件短路，地毯、壁纸发生,静电现象,，对人体有刺激，甚至诱发火灾。,二、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。,典型的氯化锂湿度传感器有登莫,（Dunmore）式和浸渍式两种。,登莫式传感器的结构如图,图中,A,为聚苯乙烯包封的铝管；,B,为用聚乙烯醋酸盐覆盖在,A,上的钯丝。,浸渍式传感器是在基本材料上直接浸渍氯化锂溶液构成的。这类传感器的浸渍基片材料为天然树皮。,它部分地避免了高温下所产生的湿敏膜的误差。由于采用了表面积大的基片材料，并直接在基片上浸渍氯化锂溶液，因此这种传感器具有小型化的特点。,它适用于微小空间的湿度检测。,三、半导瓷湿敏电阻,制造半导瓷湿敏电阻的材料，主要是不,同类型的金属氧化物。,有一些材料电阻率随湿度的增加而下降，,故称为负特性湿敏半导瓷。,还有一种材料（如Fe3O4半导瓷）的电阻,率随着湿度的增加而增大，称为正特性湿敏半,导瓷。,1.半导瓷湿敏材料的导电机理,三种典型的金属氧化物半导瓷的湿敏特性如,图,:,1ZnOLiO2V2O5系,2SiNa2OV2O5系,3TiO2MgOCr2O3系,关于半导体湿敏材料的导电机理有多种理论。一,般认为，作为湿敏材料的多晶陶瓷（也称半导,瓷），由于晶粒间界的结构不够致密与缺乏规律性，,不仅载流子浓度远比晶粒内部小，而且载流子迁移率,也要低得多。所以，一般半导瓷的晶粒间界电阻要比,体内高得多。因而半导瓷的晶粒间界便成了半导瓷中,传导电流的主要障碍。正由于这种高阻效应的存在，,使半导瓷具有良好的湿敏特性,。,2. 典型半导瓷湿敏电阻,半导瓷湿敏电阻具有较好的热稳定性，较强,的抗沾污能力，能在恶劣、易污染的环境中测,得准确的湿度数据，而且还有响应快、使用湿,度范围宽（可在150以下使用）等优点，在,实际应用中占有很重要的位置。,烧结型半导瓷湿敏电阻的结构如图所示,1接线柱2隔漏环3RuO2电极,4感湿体5加热丝6底座,7感湿体引线,（1）烧结型湿敏电阻,（2）涂覆膜型Fe3O4湿敏器件,有一种由金属氧化物微粒经过堆积、粘结,而成的材料，它也具有较好的感湿特性。用这,种材料制做的湿敏器件，一般称为涂覆膜型或,瓷粉型湿敏器件。这种湿敏器件有多种品种，,其中比较典型且性能较好的是Fe,3,O,4,湿敏器,件。,Fe,3,O,4,感湿膜的整体电阻很高。当水分子透过松散结构的感湿膜而吸附在微粒表面上时，将扩大微粒间的面接触，导致接触电阻的减小；因而这种器件具有负感湿特性。,Fe,3,O,4,湿敏器件的主要优点是在常温、常湿下性能比较稳定；有较强的抗结露能力；在全湿范围内有相当一致的湿敏特性，而且其工艺简单，价格便宜。,其主要缺点是响应缓慢，并有明显的湿滞效应。,第三节 磁敏传感器,磁敏传感器是基于磁电转换原理的传感器。,早在1856年和1879年就发现了磁阻效应和霍,尔效应，但作为实用的磁敏传感器则产生于半,导体材料发现之后。60年代初，西门子公司研,制出第一个实用的磁敏元件；1966年又出现,了铁磁性薄膜磁阻元件；1968年索尼公司研,制成性能优良、灵敏度高的磁敏二极管；1974年,美国韦冈德发明了双稳态磁性元件。,一、磁敏电阻器,1.,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，这种现象称为,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。,磁阻效应的表达式为,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。,设电阻率的变化为,=,0，则电,阻率的相对变化率为,由上式可知，磁场一定时，迁移率高的材料,磁阻效应明显。,2. 磁敏电阻的形状,磁阻的大小除了与材料有关外，还和磁敏电阻的几何形状有关。常见的磁敏电阻是圆盘形的，中心和边缘处为两电极。这种圆盘形磁阻器叫科尔比诺圆盘。其磁阻效应叫科尔比诺效应。,考虑到形状的影响时，电阻率的相对变化与磁感应强度和迁移率的关系，可以用下式表示,f,（,L,/,b,）形状效应系数，,L,、,b,分别为磁敏电阻的长度和宽度,各种形状的磁敏电阻器，其磁阻,RB,与磁感应强,度的关系如图,图中,R,0为,B,=0时的电阻值。,。,3. 磁敏电阻的应用,磁敏电阻的应用非常广泛。除了用它做成,探头，配上简单线路可以探测各种磁场外，在,测量方面还可制成位移检测器、角度检测器、,功率计、安培计等。此外，可用磁敏电阻制成,交流放大器、振荡器等。,二、磁敏二极管（SMD）,磁敏二极管的结构原理如图,在高阻半导体芯片（本征型I）两端，,分别制作P、N两个电极，形成P-I-N,结。,P、N都为重掺杂区，本征区I,的长度较长。同时对I区的两侧面进行不同,的处理。一个侧面磨成光滑面，另一面打,毛。由于粗糙的表面处容易使电子空穴,对复合而消失，我们称之为r面，这样就构,成了磁敏二极管。,高复合面与光滑面的复合率差别愈大，磁敏二极管的灵,敏度也就愈高。磁敏二极管在不同的磁场强度和方向下的,伏安特性如图,磁敏二极管与其他磁敏器件相比，具有以下,特点：,1）灵敏度高 磁敏二极管的灵敏度比霍尔元件高几百甚至上千倍，而且线路简单，成本低廉，更适合于测量弱磁场。,2）具有正反磁灵敏度 这一点是磁阻器件所欠缺的。故磁敏二极管可用作无触点开关。,3）灵敏度与磁场关系呈线性的范围比较窄 这一点不如霍尔元件。,第四节色敏传感器,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。但是不管是,光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测,的都是在一定波长范围内光的强度，或者说光,子的数目。而半导体色敏器件则可用来直接测,量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。,一.半导体色敏传感器的基本原理,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。其,结构原理及等效电路如图,1.光电二极管的工作原理,对于用半导体硅制造的光电二极管，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统称为光生载流子。光电二,极管的基本部分是一个PN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（P区中的电子,或N区中的空穴）就受势垒区强电场的吸引而被拉向背面,区域。这部分少数载流子对电流做出贡献。多数载流子,（N区中的电子或P区中的空穴）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。,用能带图来表示上述过程如图,a)光生电子和空穴的运动 b)外电路开路，光生电压出现,光在半导体中传播时的衰减，是由于价带电子吸收光子,而从价带跃迁到导带的结果这种吸收光子的过程称为本征,吸收，硅的本征吸收系数随入射光波长变化的曲线如图,对于光电器件而言，还常用量子效率来表征光生电子流,与入射光子流的比值大小。其物理意义是单位时间内每入,射一个光子所引起的流动电子数。P区在不同结深时量子,效率随波长变化的曲线如图,2. 半导体色敏传感器工作原理,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。这一特性给我们提供了将这种器,件用于颜色识别的可能性，即可以用来测量入射,光的波长。将两只结深不同的光电二极管组合，,就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器。,不同结深二极管的光谱响应曲线如图,图中PD,1,代表浅结二极管，PD,2,代表深结二极管。,二、半导体色敏传感器的基本特征,1. 半,导体色敏器件的光谱特性,光谱特性是表示它所能检测的波长范围，图a给出了,国产CS1型半导体色敏器件的光谱特性，其波长范围是,4001000nm。,2. 短路电流比波长特性,波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，,是用来确定被测波长的基本特性。上述CS1型半导体色,敏器件的短路电流比波长特性曲线示于图,b,a)光谱特性 b)短路电流比波长特性,第五节离子敏传感器,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。,ISFET是用来测量溶液（或体液）中离子浓度的,微型固态电化学敏感器件。,一、ISFET的结构与工作原理,用半导体工艺制作的金属氧化物半导,体场效应晶体管的典型结构如图所示,当在栅极和源极之间加正向偏压,VGS,，,且有,VGS,VT,（阈值电压）时，则栅氧化,层下面的硅就反型，从P型变为N型。这个,N型区就将源区和漏区边连接起来，起导电,通道的作用，称为沟道。此时MOSFET就,进入工作状态。这种类型称为N沟道增强型,MOSFET。,在MOSFET的栅电极加上大于,VT,的正偏压,后，源漏之间加电压,VDS,，则源和漏之间就有电,流通过，用,IDS,表示。,IDS,的大小随,VDS,和,VGS,的大小而变化，其变化规律就是MOSFET的电流,电压特性。,输出特性和转移特性曲线如图,a)输出特性 b)转移特性,2.离子敏传感器的结构与工作原理,如果将普通MOSFET的金属栅去掉，让绝缘氧化层直,接与溶液相接触，或者将栅极用铂膜作引出线，并在铂膜,上涂覆一层离子敏感膜，就构成了一只ISFET。如图,1MOSFET2铂膜3敏感膜,当将ISFET插入溶液时，在被测溶液与敏感膜,接触处就会产生一定的界面电势，其大小取决于,溶液中被测离子的浓度。这一界面电势的大小将,直接影响,VT,的值，如果以,i,表示响应离子的浓,度，则当被测溶液中的干扰离子影响极小时，阈,值电压,VT,可用下式表示：,二、ISFET的应用,ISFET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。,1. 对生物体液中无机离子的检测,2. 在环境保护中应用,