[科普中国]-半导体传感器

半导体传感器(semiconductor transducer)是指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。所采用的半导体材料多数是硅以及Ⅲ-Ⅴ族和 Ⅱ-Ⅵ族元素化合物。半导体传感器种类繁多，它利用近百种物理效应和材料的特性，具有类似于人眼、耳、鼻、舌、皮肤等多种感觉功能。

简介半导体传感器是一种新型半导体器件，它能够能实现电、光、温度、声、位移、压力等物理量之间的相互转换，并且易于实现集成化、多功能化，更适合于计算机的要求，所以被广泛应用于自动化检测系统中。由于实际的被测量大多数是非电量，因而传感器的主要工作就是将非电信号转换成电信号1。

优点优点是灵敏度高、响应速度快、体积小、重量轻、便于集成化、智能化，能使检测转换一体化。

应用领域半导体传感器的主要应用领域是工业自动化、遥测、工业机器人、家用电器、环境污染监测、医疗保健、医药工程和生物工程2。

分类半导体传感器按输入信息分为物理敏感、化学敏感和生物敏感半导体传感器三类

物理敏感类将物理量转换成电信号的器件，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。这类器件主要基于电子作用过程，机理较为简单，应用比较普遍，半导体传感器的无触点开关应用尤广。它们与微处理机相配合，能构成遥控、光控、声控、工业机器人和全自动化装置。下表列出常用的物理效应。

化学敏感类将化学量转换成电信号的器件，按敏感对象可分为对气体、湿度、离子等敏感的类型，具有类似于人的嗅觉和味觉的功能。这类器件主要基于离子作用过程，机理较为复杂，研制较难，但有广阔的应用前景。通常利用的化学效应有：氧化还原反应、光化学反应、离子交换反应、催化反应和电化学反应（固体电解质浓淡电池反应）等。

生物敏感类将生物量转换成电信号的器件，往往利用膜的选择作用、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，而蛋白质分子只能同特定物质起化学反应。通常利用的生物学效应有抗原抗体反应、酶作用下的氧化反应、微生物活组织和细胞的呼吸功能等。

代表品种半导体传感器

semiconductor sensor

利用半导体性质易受外界条件影响这一特性制成的传感器。

根据检出对象，半导体传感器可分为物理传感器（检出对象为光、温度、磁、压力、湿度等）、化学传感器（检出对象为气体分子、离子、有机分子等）、生物传感器（检出对象为生物化学物质）。

光传感器 根据光和半导体的相互作用原理制成的传感器。通过在半导体中掺进杂质可以在禁带中造成新的能级，可以人为地将光的吸收移至长波范围。

半导体光传感器种类很多，可以通过光导效应、光电效应、光电流等实现光的检出，如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电池等。改变结构，还可以制成具有新功能的光传感器，例如灵敏度高和响应速度快的近红外检出器件、仅在特定波长范围灵敏的器件、发光与受光器件处于同一衬底的器件、可进行光检出和电流放大的器件、光导膜与液晶元件相结合的器件、电荷耦合器件等3。

温度传感器一般随温度的上升，半导体中载流子浓度增加、电阻降低。利用这种效应可以制成热敏电阻。由于半导体载流子浓度与温度有关，还会产生显著的塞贝克效应。当P 型半导体两端存在温度差墹T，热端的空穴浓度大，因此空穴向冷端扩散，并在此端产生正的空间电荷场。这个电压（塞贝克电压uS）约为150μV/K。对N型半导体，图2 中载流子为电子，冷端连接点为负。因此，同时使用P型与N型半导体电偶的uS可达300μV/K，比金属的uS（40μV/K）大一个数量级。

半导体温度传感器分为两类：接触型和非接触型。接触型又分为热敏电阻与PN结型两种。

随着温度的变化，半导体感温器件电阻会发生较大的变化，这种器件称为热敏电阻。常用的热敏电阻为陶瓷热敏电阻，分为负温度系数（NTC）热敏电阻、正温度系数（PTC）热敏电阻和临界温度电阻（CTR）。热敏电阻一般指NTC热敏电阻。

PN结温度传感器是一种利用半导体二极管、三极管的特性与温度的依赖关系制成的温度传感器。非接触型温度传感器可检出被测物体发射电磁波的能量。传感器可以是将放射能直接转换为电能的半导体物质，也可以先将放射能转换为热能，使温度升高，然后将温度变化转换成电信号而检出。这可用来测量一点的温度，如测温度分布，则需进行扫描。当对象温度低、只能发射红外线时，则须检出其红外线。

半导体磁传感器体积小、重量轻、灵敏度高、可靠性高、寿命长，在电子学领域得到应用。此外，还可利用磁效应制作长度与重量传感器、高分辨（0.01度）的倾斜传感器，以及测定液体流量等2。

压力传感器半导体在承受压力时禁带宽度发生变化，导致载流子浓度和迁移率变化。这样引起的电阻变化比金属丝受压时截面积减小引起的电阻变化要大两个数量级。因此半导体压力传感器具有高灵敏度。将 P型半导体与 N型半导体组合使用还可制成灵敏度更高的压力传感器。扩散型半导体压力传感器采用集成电路工艺制成，可以提高性能，改进测量的精度。如加工硅单晶制成受压膜片，在其表面用平面工艺扩散再制成压力规，由于二者处在同一硅片上，可以减少滞后、提高精度。

使用半导体压力传感器测量生物体各部分的压力比使用古老的脉压、血压测量方法，具有精度高、体积小、可在生物体自然状态下测量和安全（微小电流）的优点。

湿度传感器当半导体表面或界面吸附气体分子或水分子时，半导体表面或界面的能带发生变化。利用这种半导体电阻的变化可检测气体或湿度。半导体湿度传感器具有体积小、重量轻的特点，实用的有ZnO-Cr2O3系、TiO2-V2O5系陶瓷湿度传感器。ZnO-Cr2O3系陶瓷湿度传感器用于室内空调，可精密控制湿度，与微机结合能自动去湿，节省电能。TiO2-V2O5系陶瓷湿度传感器耐热性好，可测量60℃以上的环境湿度，还可用于医药、合成纤维工厂中存在有机物蒸气时的湿度测量。

气体传感器利用半导体与气体接触时电阻或功函数发生变化这一特性检测气体。气体传感器分为电阻式与非电阻式两种。

电阻式采用SnO2、ZnO等金属氧化物材料制备，有多孔烧结件、 厚膜、 薄膜等形式。根据半导体与气体的相互作用是发生在表面还是体内，又分为表面控制型与体控制型。表面控制型电阻式传感器包括SnO2系传感器、ZnO系传感器、其他金属氧化物（WO3、V2O5、CdO、Cr2O3等） 材料的传感器和采用有机半导体材料的传感器。体控制型电阻式传感器包括Fe2O3系传感器、ABO3型传感器和燃烧控制用传感器。这类传感器可检测甲烷、丙烷、氢、一氧化碳等还原性气体，氧、二氧化氮等氧化性气体，具有强吸附力的胺类和水蒸汽等。

非电阻式气体传感器利用气体吸附和反应时引起的功函数变化来检测气体。它可分为金属－半导体结二极管型传感器（利用金属与半导体界面上吸附气体时，二极管整流特性的变化）、MOS二极管型传感器（采用MOS结构，通过C-V特性的漂移检测气体）和MOS FET型传感器（通过MOS FET的阈值电压变化检测气体）。

半导体气体传感器灵敏度高，可用于可燃气体防爆报警器，CO、H2S等有毒气体的监测器。通过稳定性研究，一些传感器可用于气体浓度的定量监测。半导体气体传感器在防灾、环境保护、节能、工程管理、自动控制等方面有广泛的应用。

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1。

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4。

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：

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。4

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3。

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。

应用（1）气敏传感器

（2）色敏传感器4

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学