半导体式物性传感器.ppt

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1、第十一章半导体式物性传感器,1970年，荷兰科学家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

2、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。,半导体传感器,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。,一、气敏半导体材料的导电机理,图a为烧结体N型半

3、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。,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，

4、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气敏电阻4基片 此种元件一致性较

5、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,三、气敏传感器的应用1、实用酒精测试仪 测试驾驶员醉酒的程度。气体传感器选用二氧化锡气

6、敏元件。当气体传感器探测不到酒精时,加在A5脚的电平为低电平;当气体传感器探测到酒精时,其内阻变低,从而使A5脚电平变高。A为显示驱动器,它共有10个输出端,每个输出端可以驱动一个发光二极管,显示推动器A根据第5脚电压高低来确定依次点亮发光二极管的级数,酒精含量越高则点亮二极管的级数越大。上5个发光二极管为红色,表示超过安全水平。下5个发光二极管为绿色,代表安全水平,酒精含量不超过0.05%。,2.气体报警器与控制器电路 如图所示。在洁净空气中，传感器的电阻较大，在负载上的输出电压RL较小。在待测气体中时，传感器的电阻变小，则RL上的输出电压增大。图（a）为报警器，超过规定浓度时，发出声光报警

7、。图（b）为控制器，超过设定浓度时，比较器翻转，输出控制信号，由驱动电路带动继电器或其它元件动作。,气体报警器及控制器原理框图(a)报警器,气体报警器及控制器原理框(b)控制器,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

8、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。,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

9、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 3TiO2MgOCr2O

10、3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

11、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

12、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。,三、湿敏传感器的应用,1.自动去湿装置 图8-12中，H为湿敏传感器，Rs为加热电阻丝。在常温常湿情况下调好各电阻值，使V1导通，V2截止。当阴雨等天气使室内环境湿度增大而导致H的阻值下降到某值时，RH与R2并联之阻值小到不足以维持V1导通。由于V1截止而使V2导通，其负载继电器K通电，常开触点闭合，加热电阻丝RS通电加热，驱散湿气。当湿度减小到一定程度时，电路又翻转到初始状态，V1导通，V2截止，常开触点断开，RS断电停止加热。,2.录像机结露报警控制电路 如图所示，该电路由BG1BG4组成。结露时，LED亮（结露信号），并输出控制

13、信号使录像机进入停机保护状态。在低湿时，结露传感器的电阻值为2k左右，BG1因其基极电压低于0.5V而截止，BG2集电极电位低于1V，所以BG3及BG4也截止。结露指示灯不亮，输出的控制信号为低电平。在结露时，结露传感器的电阻值大于50 k，BG1饱和导通，BG2截止；从而使BG3及BG4导通，结露指示灯亮，输出的控制信号为高电平。,传感器,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；196

14、8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

15、。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

16、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

17、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

18、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,光电二极管是在反向电压作用之下工作的。没有光照时，反向电流很小（一般小于0.1微安），称为暗电流。当有光照时

19、，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子-空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。这种特性称为“光电导”。光电二极管在一般照度的光线照射下，所产生的电流叫光电流。如果在外电路上接上负载，负载上就获得了电信号，而且这个电信号随着光的变化而相应变化。光电二极管、光电三极管是电子电路中广泛采用的光敏器件。光电二极管和普通二极管一样具有一个PN结，不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，实现光电转换，在电路图中文字符号一般为VD。光电三极管除具有光电转换的功能

20、外，还具有放大功能，在电路图中文字符号一般为VT。光电三极管因输入信号为光信号，所以通常只有集电极和发射极两个引脚线。同光电二极管一样，光电三极管外壳也有一个透明窗口，以接收光线照射。,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。其物理意义是指单位时间内每入射一个光子所引起的流动电子数。根据理论计算可以得到，P区在不同结深时量子效率随波长变化的曲线如图所示。图中xj即表示结深。浅的PN结有较好的蓝紫光灵敏度，深的PN结则

21、有利于红外灵敏度的提高，半导体色敏器件正是利用了这一特性。,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

22、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 3.温度特性 由于半导体色敏器件测定的是两只光电二极管短路电流之比，而这两只光电二极管是做在同一块材料上的，具有相同的温度系数，这种内部补偿作用使半导体色敏器件的短路电流比对温度不十分敏感，所以通常可不考虑温度的影响。,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

23、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)

24、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,