半导体式物性传感器.ppt

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,lihuipeng,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,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RsRb，RnRb。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SnO2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SnO2半导瓷传感器的电阻率变化的关系如图,SnO2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Fe3O4湿敏器件。,Fe3O4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。Fe3O4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R0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PD1代表浅结二极管，PD2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VGSVT（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,