哈工大—电子技术报告—关于半导体传感器.doc

关于半导体传感器 摘要：如今，半导体传感器技术日趋成熟，被广泛应用于各个行业中。它是利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器介绍了传感器的发展现状和未来发展趋势 半导体传感器是利用半导体材料的各种物理、化学和生物学特性制成的传感器器种类繁多，由于它具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉器官的功能所以起名为传感器。灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化。半导体传感器主要应用于工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器等领域并且具有良好的发展前景 物理敏感类：这种传感器的原理是将物理量转换成电信号，按敏感对象分为光敏、热敏、力敏、磁敏等不同类型，具有类似于人的视觉、听觉和触觉的功能。这类器件基于电子作用过程，机理简单，而且应用比较普遍，它与微处理机相配合，能构成遥控、光控、声控、工业机器人和全自动化装置。列出常用的物理效应。 效应名称 作用 效应名称 作用 热电效应热转化为电压电效应 压力转化为电 光导效应压阻效应压力转化为电阻 热磁效应超导效应 电导转化为点 霍尔效应 磁电转化为电 声电效应声转化为电 磁阻效应 电磁转化为电阻 声磁效应 声转化为磁 生物敏感类：这种传感器的原理是将生物量转换成电信号。它常利用膜的选择作用、酶的生化反应和免疫反应，通过测量反应生成物或消耗物的数量达到检测的目的。生物敏感传感器所用的敏感功能材料是蛋白质。但实现起来较为困难，目前的应用还不是很广泛。 2.根据传感器的用途则可以将传感器分为更多的种类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，如图一所示。 图一 湿敏电阻结构示意图 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，进而导致溶液电阻率增高。反之，环境相对湿度变低时，则溶液浓度升高，其电阻率下降，这样就实现对湿度的测量。 3.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。这些材料分为两种，若半导体材料的电阻率随湿度增加而下降，称为负特性湿敏半导体陶瓷，反之，半导体材料的电阻率随湿度增大而增大，则称为正特性湿敏半导体陶瓷。 （1）负特性湿敏半导体陶瓷的导电机理 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。 如果该半导体陶瓷是Ｐ型半导体，则由于水分子吸附使表面电势下降，将吸引更多的空穴到达其表面，其表面层的电阻下降。 若该半导体陶瓷为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，出现表面反型层，这些空穴就称为反型载流子。 不论是Ｎ型还是Ｐ型半导体陶瓷，其电阻率都随湿度的增加而下降。 （2）正特性湿敏半导体陶瓷的导电机理 正特性湿敏半导体陶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。当水分子附着半导体陶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，这类半导体陶瓷材料的表面电阻将随湿度的增加而加大。通常湿敏半导体陶瓷材料都是多孔的，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。 （3）湿敏半导体陶瓷特点 湿敏半导体陶瓷传感器表面与水蒸气的接触面积大，易于水蒸气的吸收与脱却；陶瓷烧结体能耐高温，物理、化 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，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。 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。 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。图二表示了气体接触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。 图二 N型不同气体接触的变化 2.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