半導(dǎo)體自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備專用HD減速機(jī)CSF-32-160-2UH

semiconductor sensor

利用半導(dǎo)體性質(zhì)易受外界條件影響這一特性制成的傳感器。

根據(jù)檢出對(duì)象，半導(dǎo)體傳感器可分為物理傳感器(檢出對(duì)象為光、溫度、磁、壓力、濕度等)、化學(xué)傳感器(檢出對(duì)象為氣體分子、離子、有機(jī)分子等)、生物傳感器(檢出對(duì)象為生物化學(xué)物質(zhì))。

光傳感器 根據(jù)光和半導(dǎo)體的相互作用原理制成的傳感器。通過(guò)在半導(dǎo)體中摻進(jìn)雜質(zhì)可以在禁帶中造成新的能級(jí)，可以人為地將光的吸收移至長(zhǎng)波范圍。

半導(dǎo)體光傳感器種類很多，可以通過(guò)光導(dǎo)效應(yīng)、光電效應(yīng)、光電流等實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)，還可以制成具有新功能的光傳感器，例如靈敏度高和響應(yīng)速度快的近紅外檢出器件、僅在特定波長(zhǎng)范圍靈敏的器件、發(fā)光與受光器件處于同一襯底的器件、可進(jìn)行光檢出和電流放大的器件(圖1)、光導(dǎo)膜與液晶元件相結(jié)合的器件、電荷耦合器件等。

一般隨溫度的上升，半導(dǎo)體中載流子濃度增加、電阻降低。利用這種效應(yīng)可以制成熱敏電阻。由于半導(dǎo)體載流子濃度與溫度有關(guān)，還會(huì)產(chǎn)生顯著的塞貝克效應(yīng)。當(dāng)P 型半導(dǎo)體兩端存在溫度差墹T，熱端的空穴濃度大，因此空穴向冷端擴(kuò)散，并在此端產(chǎn)生正的空間電荷場(chǎng)(圖2)。這個(gè)電壓(塞貝克電壓uS)約為150μV/K。對(duì)N型半導(dǎo)體，圖2 中載流子為電子，冷端連接點(diǎn)為負(fù)。因此，同時(shí)使用P型與N型半導(dǎo)體電偶的uS可達(dá)300μV/K，比金屬的uS(40μV/K)大一個(gè)數(shù)量級(jí)。

半導(dǎo)體溫度傳感器分為兩類:接觸型和非接觸型。接觸型又分為熱敏電阻與PN結(jié)型兩種。

隨著溫度的變化，半導(dǎo)體感溫器件電阻會(huì)發(fā)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(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻、正溫度系數(shù)(PTC)熱敏電阻和臨界溫度電阻(CTR)。熱敏電阻一般指NTC熱敏電阻。

PN結(jié)溫度傳感器是一種利用半導(dǎo)體二極管、三極管的特性與溫度的依賴關(guān)系制成的溫度傳感器。非接觸型溫度傳感器可檢出被測(cè)物體發(fā)射電磁波的能量。傳感器可以是將放射能直接轉(zhuǎn)換為電能的半導(dǎo)體物質(zhì)，也可以先將放射能轉(zhuǎn)換為熱能，使溫度升高，然后將溫度變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)而檢出。這可用來(lái)測(cè)量一點(diǎn)的溫度，如測(cè)溫度分布，則需進(jìn)行掃描。

當(dāng)對(duì)象溫度低、只能發(fā)射紅外線時(shí)，則須檢出其紅外線(見(jiàn)光電導(dǎo)探測(cè)器)。

磁傳感器 磁傳感器主要基于霍爾效應(yīng)和磁阻效應(yīng)的原理。利用霍爾效應(yīng)的器件稱為霍爾器件。當(dāng)施加磁通B 時(shí)，電阻增加率墹R/R 可用下式表示

墹R/R∝μ2B2

式中μ為載流子遷移率。半導(dǎo)體的載流子遷移率(如InAs約為104厘米2/伏秒)比金屬(如Cu約為34.8厘米2/伏秒)大得多，所以半導(dǎo)體的磁阻效應(yīng)很大。

半導(dǎo)體磁傳感器體積小、重量輕、靈敏度高、可靠性高、壽命長(zhǎng)，在電子學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。此外，還可利用磁效應(yīng)制作長(zhǎng)度與重量傳感器、高分辨(0.01度)的傾斜傳感器，以及測(cè)定液體流量等。

半導(dǎo)體在承受壓力時(shí)禁帶寬度發(fā)生變化，導(dǎo)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(shí)截面積減小引起的電阻變化要大兩個(gè)數(shù)量級(jí)。因此半導(dǎo)體壓力傳感器具有高靈敏度。將 P型半導(dǎo)體與 N型半導(dǎo)體組合使用還可制成靈敏度更高的壓力傳感器。擴(kuò)散型半導(dǎo)體壓力傳感器采用集成電路工藝制成，可以提高性能，改進(jìn)測(cè)量的精度。如加工硅單晶制成受壓膜片，在其表面用平面工藝擴(kuò)散再制成壓力規(guī)，由于二者處在同一硅片上，可以減少滯后、提高精度。

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

半導(dǎo)體自動(dòng)檢測(cè)設(shè)備專用HD減速機(jī)CSF-32-160-2UH或界面吸附氣體分子或水分子時(shí)，半導(dǎo)體表面或界面的能帶發(fā)生變化。利用這種半導(dǎo)體電阻的變化可檢測(cè)氣體或濕度。半導(dǎo)體濕度傳感器具有體積小、重量輕的特點(diǎn)，實(shí)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于室內(nèi)空調(diào)，可精密控制濕度，與微機(jī)結(jié)合能自動(dòng)去濕，節(jié)省電能。TiO2-V2O5系陶瓷濕度傳感器耐熱性好，可測(cè)量60℃以上的環(huán)境濕度，還可用于醫(yī)藥、合成纖維工廠中存在有機(jī)物蒸氣時(shí)的濕度測(cè)量。

電阻式采用SnO2、ZnO等金屬氧化物材料制備，有多孔燒結(jié)件、 厚膜、 薄膜等形式。根據(jù)半導(dǎo)體與氣體的相互作用是發(fā)生在表面還是體內(nèi)，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) 材料的傳感器和采用有機(jī)半導(dǎo)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(cè)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(qiáng)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(yīng)時(shí)引起的功函數(shù)變化來(lái)檢測(cè)氣體。它可分為金屬-半導(dǎo)體結(jié)二極管型傳感器(利用金屬與半導(dǎo)體界面上吸附氣體時(shí)，二極管整流特性的變化)、MOS二極管型傳感器(采用MOS結(jié)構(gòu)，通過(guò)C-V特性的漂移檢測(cè)氣體)和MOS FET型傳感器(通過(guò)MOS FET的閾值電壓變化檢測(cè)氣體)。

半導(dǎo)體氣體傳感器靈敏度高，可用于可燃?xì)怏w防爆報(bào)警器，CO、H2S等有毒氣體的監(jiān)測(cè)器。通過(guò)穩(wěn)定性研究，一些傳感器可用于氣體濃度的定量監(jiān)測(cè)。半導(dǎo)體氣體傳感器在防災(zāi)、環(huán)境保護(hù)、節(jié)能、工程管理、自動(dòng)控制等方面有廣泛的應(yīng)用。

半導(dǎo)體離子傳感器體積很小，能直接插入生物體內(nèi)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，隨時(shí)監(jiān)視患者的病情。

半導(dǎo)體表面的電阻隨垂直于表面的電場(chǎng)變化。利用這種場(chǎng)效應(yīng)制成的絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (IGFET)可作為化學(xué)傳感器。而在測(cè)量離子時(shí)，即稱為離子靈敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)。ISFET的柵絕緣層表面只對(duì)特定的離子產(chǎn)生響應(yīng)并形成離子感應(yīng)層。這種界面電位的變化通過(guò)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(guò)大的問(wèn)題，它的輸出阻抗很小。由于界面雙電層的穩(wěn)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(見(jiàn)場(chǎng)效應(yīng)化學(xué)傳感器)。ISFET可用來(lái)測(cè)量H+、Na+、K+、Ca++、Ag+、NH嬃等陽(yáng)離子和F-、Cl-、Br-、I-、CN-等陰離子，還可制成復(fù)合ISFET(即同一 ISFET可測(cè)幾種不同的離子)和FET型的參考電極(REFFET)等。

改變 ISFET膜或采用其他結(jié)構(gòu)可以檢出復(fù)雜的生物化學(xué)物質(zhì)。這種傳感器用于醫(yī)療、食品、醫(yī)藥、環(huán)境保護(hù)等方面。例如，在臨床化學(xué)檢查中，用固定酵素作電極的方法對(duì)血液中葡萄糖、淀粉酶、甲胍乙丙脂、尿素、尿酸進(jìn)行分析，迅速而又簡(jiǎn)便。生物傳感器正向檢測(cè)更復(fù)雜的生物關(guān)聯(lián)物質(zhì)、免疫物質(zhì)、細(xì)胞和微生物的方向發(fā)展。

采用集成化技術(shù)，將半導(dǎo)體傳感器與信息處理電路集成于同一芯片，可以增加傳感器的功能。此外，還可以在同一襯底上制作能檢出不同對(duì)象的具有復(fù)合功能的半導(dǎo)體傳感器器件。已出現(xiàn)單片集成傳感器和混合集成傳感器，將傳感器與微處理機(jī)相結(jié)合可以制成具有自動(dòng)補(bǔ)償功能和預(yù)知判斷功能的智能化器件。

半導(dǎo)體傳感器優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高、可靠性好、可實(shí)現(xiàn)多功能、 小型化、 智能化，缺點(diǎn)是多感性、選擇性差、在極限狀態(tài)下(例如高溫)不能使用。針對(duì)結(jié)晶型半導(dǎo)體傳感器的不足，人們正在研究無(wú)定形半導(dǎo)體傳感器。