站内公告：
半导体传感器（二）
2024-10-30
离子传感器
半导体离子传感器体积很小，能直接插入生物体内进行连续测量，随时监视患者的病情。
半导体表面的电阻随垂直于表面的电场变化。利用这种场效应制成的绝缘栅场效应晶体管 （IGFET）可作为化学传感器。而在测量离子时，即称为离子灵敏场效应晶体管（ISFET）。ISFET的栅绝缘层表面只对特定的离子产生响应并形成离子感应层。这种界面电位的变化通过FET的漏极电流变化检出。ISFET的小型化不存在离子选择电极电阻过大的问题，它的输出阻抗很小。由于界面双电层的稳定性，即使在浓度很低的情况下也能检出界面电位的变化，因此具有很高的灵敏度。ISFET可用来测量H+、Na+、K+、Ca++、Ag+、NH嬃等阳离子和F-、Cl-、Br-、I-、CN-等阴离子，还可制成复合ISFET（即同一 ISFET可测几种不同的离子）和FET型的参考电极（REFFET）等。
生物传感器
改变 ISFET敏感膜或采用其他结构可以检出复杂的生物化学物质。这种传感器用于医疗、食品、医药、环境保护等方面。例如，在临床化学检查中，用固定酵素作电极的方法对血液中葡萄糖、淀粉酶、甲胍乙丙脂、尿素、尿酸进行分析，迅速而又简便。生物传感器正向检测更复杂的生物关联物质、免疫物质、细胞和微生物的方向发展。
采用集成化技术，将半导体传感器与信息处理电路集成于同一芯片，可以增加传感器的功能。此外，还可以在同一衬底上制作能检出不同对象的具有复合功能的半导体传感器器件。已出现单片集成传感器和混合集成传感器，将传感器与微处理机相结合可以制成具有自动补偿功能和预知判断功能的智能化器件。
半导体传感器优点是灵敏度高、可靠性好、可实现多功能、 小型化、 智能化，缺点是多感性、选择性差、在极限状态下（例如高温）不能使用。针对结晶型半导体传感器的不足，人们正在研究无定形半导体传感器。
气敏传感器
用途
主要用于工业上天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制, 气敏元件是以化学物质的成分为检测参数的化学敏感元件。
材料
气敏电阻的材料是金属氧化物半导体（分P型如氧化锡和N型如氧化钴），合成材料有时还渗入了催化剂, 如钯（Pd）、铂（Pt）、银（Ag）等。
工作原理
（1）敏感材料的功函数<吸附分子的电子亲和力→吸附分子从材料中夺取电子（负离子吸附、氧化型气体），敏感材料的载流子减少-R↑，如O2 、NO等。
（2）敏感材料的功函数>吸附分子的离解能→吸附分子向材料释放电子（正离子吸附、还原型气体），敏感材料的载流子增加-R↓，如H2、CO等。
（3）为提高气体灵敏度，一般需加热以加快氧化还原反应（到200～450℃）,同时加热还能使附着在测控部分上的油雾、尘埃烧掉。
类型及结构
（1）电阻型半导体气敏传感器
由三部分组成：敏感元件、加热器和外壳烧结型、薄膜型、厚膜型。
（2）非电阻型半导体传感器
MOS二极管气敏器件、MOS场效应晶体管气敏器件
湿敏传感器
湿度的分类
湿度的分类：绝对湿度和相对湿度
（1）绝对湿度：一定温度和压力条件下，每单位体积的混合气体中所含水蒸气的质量，单位g/m3，一般用符号AH表示。
（2）相对湿度：气体的绝对湿度与同一温度下达到饱和状态的绝对湿度之比，一般用符号%RH表示。
在实际使用中多使用相对湿度这个概念。
氯化锂湿敏电阻
（1）原理：材料吸湿潮解或干化（能互逆），使器件的电阻率发生变化（2）氯化锂通常与聚乙烯醇组成混合体，其溶液中的离子导电能力与浓度成正比。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，因此，其溶液电阻率增高。 反之，环境相对湿度变低时， 则溶液浓度升高，其电阻率下降。见下图2：
（2）
图2氯化锂湿敏电阻
陶瓷湿敏电阻
（1）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。
导电机理：类似气敏电阻
（2）一般有两种：
Ⅰ：负特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随温度增加而下降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，有可能从半导瓷表面俘获电子，使半导瓷表面带负电。对于P型半导体，将吸引更多的空穴到达其表面，使其表面层的电阻下降。
Ⅱ：正特性湿敏半导体陶瓷：电阻率随温度增加而增大当水分子附着半导瓷的表面使电势变负时，导致其表面层电子浓度下降。
色敏传感器
色敏传感器是光敏传感器的一种。光敏器件一般检测的都是在一定波长范围内光的强度，而半导体色敏传感器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。
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hυ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。
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。
不同材料对不同波长的光吸收程度不一样。对硅而言，波长短的光子衰减快, 穿透深度较浅, 而波长长的光子则能进入硅的较深区域。
浅的P-N结有较好的蓝紫光灵敏度, 深的P-N结则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 。
图3色敏传感器
工作原理
依据：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。
在具体应用时，应先对该色敏器件进行标定。
测定不同波长的光照射下, 该器件中两只光电二极管短路电流的比值ISD2/ISD1，（ISD1是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大， ISD2是深结二极管的短路电流，它在长波区较大）。
确定二者的比值与入射单色光波长的关系。
根据标定的曲线，实测出某一单色光时的短路电流比值, 即可确定该单色光的波长。
基本特征
1.光谱特性；
2.短路电流比－波长特性；
3.温度特性。
