半導體傳感器

半導體傳感器是一種新型半導體器件，它能夠能實現電、光、温度、聲、位移、壓力等物理量之間的相互轉換，並且易於實現集成化、多功能化，更適合於計算機的要求，所以被廣泛應用於自動化檢測系統中。由於實際的被測量大多數是非電量，因而傳感器的主要工作就是將非電信號轉換成電信號 ^[1]  。

優點是靈敏度高、響應速度快、體積小、重量輕、便於集成化、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自動化、遙測、工業機器人、家用電器、環境污染監測、醫療保健、醫藥工程和生物工程 ^[2]  。

半導體傳感器按輸入信息分為物理敏感、化學敏感和生物敏感半導體傳感器三類

將物理量轉換成電信號的器件，按敏感對象分為光敏、熱敏、力敏、磁敏等不同類型，具有類似於人的視覺、聽覺和觸覺的功能。這類器件主要基於電子作用過程，機理較為簡單，應用比較普遍，半導體傳感器的無觸點開關應用尤廣。它們與微處理機相配合，能構成遙控、光控、聲控、工業機器人和全自動化裝置。圖1列出常用的物理效應。

將化學量轉換成電信號的器件，按敏感對象可分為對氣體、濕度、離子等敏感的類型，具有類似於人的嗅覺和味覺的功能。這類器件主要基於離子作用過程，機理較為複雜，研製較難，但有廣闊的應用前景。通常利用的化學效應有：氧化還原反應、光化學反應、離子交換反應、催化反應和電化學反應（固體電解質濃淡電池反應）等。

將生物量轉換成電信號的器件，往往利用膜的選擇作用、酶的生化反應和免疫反應，通過測量反應生成物或消耗物的數量達到檢測的目的。生物敏感傳感器所用的敏感功能材料是蛋白質，而蛋白質分子只能同特定物質起化學反應。通常利用的生物學效應有抗原抗體反應、酶作用下的氧化反應、微生物活組織和細胞的呼吸功能等。

半導體傳感器

semiconductor sensor

利用半導體性質易受外界條件影響這一特性製成的傳感器。

根據檢出對象，半導體傳感器可分為物理傳感器（檢出對象為光、温度、磁、壓力、濕度等）、化學傳感器（檢出對象為氣體分子、離子、有機分子等）、生物傳感器（檢出對象為生物化學物質）。

光傳感器 　根據光和半導體的相互作用原理製成的傳感器。通過在半導體中摻進雜質可以在禁帶中造成新的能級，可以人為地將光的吸收移至長波範圍。

半導體光傳感器種類很多，可以通過光導效應、光電效應、光電流等實現光的檢出，如光敏電阻、光電二極管、光電三極管、光電池等。改變結構，還可以製成具有新功能的光傳感器，例如靈敏度高和響應速度快的近紅外檢出器件、僅在特定波長範圍靈敏的器件、發光與受光器件處於同一襯底的器件、可進行光檢出和電流放大的器件、光導膜與液晶元件相結合的器件、電荷耦合器件等 ^[3]  。

一般隨温度的上升，半導體中載流子濃度增加、電阻降低。利用這種效應可以製成熱敏電阻。由於半導體載流子濃度與温度有關，還會產生顯著的塞貝克效應。當P 型半導體兩端存在温度差墹T，熱端的空穴濃度大，因此空穴向冷端擴散，並在此端產生正的空間電荷場。這個電壓（塞貝克電壓uS）約為150μV/K。對N型半導體，圖2 中載流子為電子，冷端連接點為負。因此，同時使用P型與N型半導體電偶的uS可達300μV/K，比金屬的uS（40μV/K）大一個數量級。

半導體温度傳感器分為兩類：接觸型和非接觸型。接觸型又分為熱敏電阻與PN結型兩種。

隨着温度的變化，半導體感温器件電阻會發生較大的變化，這種器件稱為熱敏電阻。常用的熱敏電阻為陶瓷熱敏電阻，分為負温度係數（NTC）熱敏電阻、正温度係數（PTC）熱敏電阻和臨界温度電阻（CTR）。熱敏電阻一般指NTC熱敏電阻。

PN結温度傳感器是一種利用半導體二極管、三極管的特性與温度的依賴關係製成的温度傳感器。非接觸型温度傳感器可檢出被測物體發射電磁波的能量。傳感器可以是將放射能直接轉換為電能的半導體物質，也可以先將放射能轉換為熱能，使温度升高，然後將温度變化轉換成電信號而檢出。這可用來測量一點的温度，如測温度分佈，則需進行掃描。當對象温度低、只能發射紅外線時，則須檢出其紅外線。

半導體磁傳感器體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高、壽命長，在電子學領域得到應用。此外，還可利用磁效應製作長度與重量傳感器、高分辨（0.01度）的傾斜傳感器，以及測定液體流量等 ^[2]  。

半導體在承受壓力時禁帶寬度發生變化，導致載流子濃度和遷移率變化。這樣引起的電阻變化比金屬絲受壓時截面積減小引起的電阻變化要大兩個數量級。因此半導體壓力傳感器具有高靈敏度。將 P型半導體與 N型半導體組合使用還可製成靈敏度更高的壓力傳感器。擴散型半導體壓力傳感器採用集成電路工藝製成，可以提高性能，改進測量的精度。如加工硅單晶製成受壓膜片，在其表面用平面工藝擴散再製成壓力規，由於二者處在同一硅片上，可以減少滯後、提高精度。

使用半導體壓力傳感器測量生物體各部分的壓力比使用古老的脈壓、血壓測量方法，具有精度高、體積小、可在生物體自然狀態下測量和安全（微小電流）的優點。

當半導體表面或界面吸附氣體分子或水分子時，半導體表面或界面的能帶發生變化。利用這種半導體電阻的變化可檢測氣體或濕度。半導體濕度傳感器具有體積小、重量輕的特點，實用的有ZnO-Cr₂O₃系、TiO₂-V₂O₅系陶瓷濕度傳感器。ZnO-Cr₂O₃系陶瓷濕度傳感器用於室內空調，可精密控制濕度，與微機結合能自動去濕，節省電能。TiO₂-V₂O₅系陶瓷濕度傳感器耐熱性好，可測量60℃以上的環境濕度，還可用於醫藥、合成纖維工廠中存在有機物蒸氣時的濕度測量。

利用半導體與氣體接觸時電阻或功函數發生變化這一特性檢測氣體。氣體傳感器分為電阻式與非電阻式兩種。

電阻式採用SnO₂、ZnO等金屬氧化物材料製備，有多孔燒結件、 厚膜、 薄膜等形式。根據半導體與氣體的相互作用是發生在表面還是體內，又分為表面控制型與體控制型。表面控制型電阻式傳感器包括SnO₂系傳感器、ZnO系傳感器、其他金屬氧化物（WO₃、V₂O₅、CdO、Cr₂O₃等） 材料的傳感器和採用有機半導體材料的傳感器。體控制型電阻式傳感器包括Fe₂O₃系傳感器、ABO₃型傳感器和燃燒控制用傳感器。這類傳感器可檢測甲烷、丙烷、氫、一氧化碳等還原性氣體，氧、二氧化氮等氧化性氣體，具有強吸附力的胺類和水蒸汽等。

非電阻式氣體傳感器利用氣體吸附和反應時引起的功函數變化來檢測氣體。它可分為金屬－半導體結二極管型傳感器（利用金屬與半導體界面上吸附氣體時，二極管整流特性的變化）、MOS二極管型傳感器（採用MOS結構，通過C-V特性的漂移檢測氣體）和MOS FET型傳感器（通過MOS FET的閾值電壓變化檢測氣體）。

半導體氣體傳感器靈敏度高，可用於可燃氣體防爆報警器，CO、H₂S等有毒氣體的監測器。通過穩定性研究，一些傳感器可用於氣體濃度的定量監測。半導體氣體傳感器在防災、環境保護、節能、工程管理、自動控制等方面有廣泛的應用。

半導體離子傳感器體積很小，能直接插入生物體內進行連續測量，隨時監視患者的病情。

半導體表面的電阻隨垂直於表面的電場變化。利用這種場效應制成的絕緣柵場效應晶體管 （IGFET）可作為化學傳感器。而在測量離子時，即稱為離子靈敏場效應晶體管（ISFET）。ISFET的柵絕緣層表面只對特定的離子產生響應並形成離子感應層。這種界面電位的變化通過FET的漏極電流變化檢出。ISFET的小型化不存在離子選擇電極電阻過大的問題，它的輸出阻抗很小。由於界面雙電層的穩定性，即使在濃度很低的情況下也能檢出界面電位的變化，因此具有很高的靈敏度。ISFET可用來測量H+、Na+、K+、Ca++、Ag+、NH嬃等陽離子和F-、Cl-、Br-、I-、CN-等陰離子，還可製成複合ISFET（即同一 ISFET可測幾種不同的離子）和FET型的參考電極（REFFET）等 ^[1]  。

改變 ISFET敏感膜或採用其他結構可以檢出複雜的生物化學物質。這種傳感器用於醫療、食品、醫藥、環境保護等方面。例如，在臨牀化學檢查中，用固定酵素作電極的方法對血液中葡萄糖、澱粉酶、甲胍乙丙脂、尿素、尿酸進行分析，迅速而又簡便。生物傳感器正向檢測更復雜的生物關聯物質、免疫物質、細胞和微生物的方向發展。

採用集成化技術，將半導體傳感器與信息處理電路集成於同一芯片，可以增加傳感器的功能。此外，還可以在同一襯底上製作能檢出不同對象的具有複合功能的半導體傳感器器件。已出現單片集成傳感器和混合集成傳感器，將傳感器與微處理機相結合可以製成具有自動補償功能和預知判斷功能的智能化器件。

半導體傳感器優點是靈敏度高、可靠性好、可實現多功能、 小型化、 智能化，缺點是多感性、選擇性差、在極限狀態下（例如高温）不能使用。針對結晶型半導體傳感器的不足，人們正在研究無定形半導體傳感器。

主要用於工業上天然氣、煤氣、石油化工等部門的易燃、易爆、有毒、有害氣體的監測、預報和自動控制, 氣敏元件是以化學物質的成分為檢測參數的化學敏感元件。

氣敏電阻的材料是金屬氧化物半導體（分P型如氧化錫和N型如氧化鈷），合成材料有時還滲入了催化劑, 如鈀（Pd）、鉑（Pt）、銀（Ag）等。

（1）敏感材料的功函數<吸附分子的電子親和力→吸附分子從材料中奪取電子（負離子吸附、氧化型氣體），敏感材料的載流子減少-R↑，如O2　、NO等。

（2）敏感材料的功函數>吸附分子的離解能→吸附分子向材料釋放電子（正離子吸附、還原型氣體），敏感材料的載流子增加-R↓，如H2、CO等。

（3）為提高氣體靈敏度，一般需加熱以加快氧化還原反應（到200～450℃）,同時加熱還能使附着在測控部分上的油霧、塵埃燒掉。

（1）電阻型半導體氣敏傳感器

由三部分組成：敏感元件、加熱器和外殼燒結型、薄膜型、厚膜型。

（2）非電阻型半導體傳感器

MOS二極管氣敏器件、MOS場效應晶體管氣敏器件 ^[4]  。

濕度的分類：絕對濕度和相對濕度

（1）絕對濕度：一定温度和壓力條件下，每單位體積的混合氣體中所含水蒸氣的質量，單位g/m3，一般用符號AH表示。

（2）相對濕度：氣體的絕對濕度與同一温度下達到飽和狀態的絕對濕度之比，一般用符號%RH表示。

在實際使用中多使用相對濕度這個概念。

（1）原理：材料吸濕潮解或幹化（能互逆），使器件的電阻率發生變化。

（2）氯化鋰通常與聚乙烯醇組成混合體，其溶液中的離子導電能力與濃度成正比。當溶液置於一定温濕場中，若環境相對濕度高，溶液將吸收水分， 使濃度降低，因此，其溶液電阻率增高。 反之，環境相對濕度變低時， 則溶液濃度升高，其電阻率下降。見下圖2：

（1）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。

導電機理：類似氣敏電阻

（2）一般有兩種：

Ⅰ：負特性濕敏半導體陶瓷：電阻率隨温度增加而下降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，有可能從半導瓷表面俘獲電子，使半導瓷表面帶負電。對於P型半導體，將吸引更多的空穴到達其表面，使其表面層的電阻下降。

Ⅱ：正特性濕敏半導體陶瓷：電阻率隨温度增加而增大當水分子附着半導瓷的表面使電勢變負時，導致其表面層電子濃度下降。 ^[4] 

色敏傳感器是光敏傳感器的一種。光敏器件一般檢測的都是在一定波長範圍內光的強度，而半導體色敏傳感器則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。

對於用半導體硅製造的光電二極管, 在受光照射時, 若入射光子的能量hυ大於硅的禁帶寬度Eg, 則光子就激發價帶中的電子躍遷到導帶而產生一對電子-空穴。

光在半導體中傳播時的衰減是由於價帶電子吸收光子而從價帶躍遷到導帶的結果, 這種吸收光子的過程稱為本徵吸收。

不同材料對不同波長的光吸收程度不一樣。對硅而言，波長短的光子衰減快, 穿透深度較淺, 而波長長的光子則能進入硅的較深區域。

淺的P-N結有較好的藍紫光靈敏度, 深的P-N結則有利於紅外靈敏度的提高, 半導體色敏器件正是利用了這一特性 ^[3]  。

依據：半導體中不同的區域對不同的波長分別具有不同的靈敏度。

在具體應用時，應先對該色敏器件進行標定。

測定不同波長的光照射下, 該器件中兩隻光電二極管短路電流的比值ISD2/ISD1，（ISD1是淺結二極管的短路電流，它在短波區較大， ISD2是深結二極管的短路電流，它在長波區較大）。

確定二者的比值與入射單色光波長的關係。

根據標定的曲線，實測出某一單色光時的短路電流比值, 即可確定該單色光的波長。

1.光譜特性；

2.短路電流比－波長特性；

3.温度特性。

（1）氣敏傳感器

（2）色敏傳感器 ^[4]