多学时电工技术报告
时间：2015春季学期（电子技术I） 学号： 姓名：
半导体传感器的应用与发展
摘要：什么是半导体传感器，是如何分类的，有哪些使用的品种？本文将着眼于半导体传感器的相关知识为大家进行详细的分类的介绍。本文还包括新兴的气敏传感器、湿敏传感器、色敏传感器的简单介绍和总体传感器的发展和相关应用。
关键词：半导体传感器，气敏传感器、湿敏传感器、色敏传感器，半导体传感器的发展、应用
一、半导体传感器的简介、概述
想要了解半导体传感器首先就要了解传感器，传感器（transducer/sensor）是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。
而半导体传感器 （semiconductor transducer）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。也是实现半导体功能的一中类型。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。
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。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。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。而下面就会首先介绍传感器中的这三类。
二、半导体传感器的分类
1.物理敏感类
物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某些物理效应，把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号的装置。其输出的信号和输入的信号有确定的关系。主要的物理传感器有光电式传感器、压电传感器、压阻式传感器、电磁式传感器、热电式传感器、光导纤维传感器等。这种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。下图（1）列出常用的物理效应。
图（1）
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时间：2015春季学期（电子技术I） 学号： 姓名： 特别的在我们的材料力学实验中同时出现了很多这类的物理传感器，通过这类的半导体传感器将微小的行变量转换成了电学的相关物理效应的改变，因而精确的测量出了相应物理量的变化。这为物理实验的发展做出了巨大的贡献。
(1)按照其所用材料的类别分： 金属聚合物 陶瓷混合物 (2)按材料的物理性质分： 导体绝缘体 半导体磁性材料 (3)按材料的晶体结构分： 单晶 多晶非晶材料
2.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。近年来，随着工业化进程的加快，人们所使用和接触的气体越来越多，工业生产和室内装修所使用的有机挥发性气体（VOCs，如丙酮、甲醛、苯和甲苯等）；煤矿瓦斯和家庭燃气等易燃易爆气体（如H_2、CH_4、CO）；固定燃烧装置和汽车尾气排放的有毒有害气体（如NO_x、NH_3、H_2S、SO_2、Cl_2）等不仅污染环境、影响生态平衡，而且严重危害人类的健康。因此，要求对这些气体成分进行检测、报警的领域也日益扩大。水蒸气作为一种特殊的气体，可谓无处不在，从航空航天、气象预报、温室种植到日常家庭生产和生活活动都与水蒸气（湿度）密切相关。因此，开发出具有高灵敏、高选择、快速响应、小型化的气体和湿度传感器是人类迫切需要解决的问题。半导体型化学传感器兼具以上优点，而受到学术界和产业界的广泛关注。半导体型化学传感器是以氧化物半导体为敏感材料，基于待测气体与敏感元件之间的相互作用，引起电特性变化来测量气体浓度的。现阶段研究表明，开发和设计具有多孔结构、大比表面积的氧化物半导体，是改善化学传感特性的有效方案之一。 如下图（2）就是化学敏感类半导体的一种。
图（2）
3.生物敏感类
生物传感器是一类特殊形式的传感器，由生物分子识别元件与各类物理、化学换能器组成，用于各种生命物质和化学物质的分析和检测。生物传感器融生物学、化学、物理学、信息科学及相关技术于一体，已经发展成为一个十分活跃的研究领域。生物传感器对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。是由固定化的生物敏感材料作识别元件（包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质）与适当的理化换能器（如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶
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时间：2015春季学期（电子技术I） 学号： 姓名： 体等等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。生物传感器具有接受器与转换器的功能。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。
三、半导体传感器的代表品种
1.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（图2）。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。 2.磁传感器
磁传感器主要基于霍尔效应和磁阻效应的原理。利用霍尔效应的器件称为霍尔器件。半导体的载流子迁移率（如InAs约为104厘米2/伏秒）比金属（如Cu约为34.8厘米2/伏秒）大得多，所以半导体的磁阻效应很大。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。
3.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。
4.湿度传感器
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时间：2015春季学期（电子技术I） 学号： 姓名： 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。
5.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。
6.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（见场效应化学传感器）。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。
7.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
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时间：2015春季学期（电子技术I） 学号： 姓名： 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。
四、气敏、湿敏、色敏传感器的简单介绍
1.气敏传感器
这种传感器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。在材料方面，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。半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质的变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度。
半导体气敏传感器大体上可以分为电阻式和非电阻式两类。电阻式半导体气敏倍感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡(SnO2)、氧化锰(MnO2)等金用氧化物制成敏感元件，当它们吸收了可燃气体的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醉、苯以及天然气等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。利用半导体材料的这种待性，将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。
图（3）所示为典型气敏元件的阻值—浓度关系。可以看出，元件对不同气体的敏感程度不同，如对乙酸、乙酵、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。一般地，随着气体的浓度增加.元件阻值明显增大，在一 定范围内，呈线性关系。
图（3） 其工作原理：（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。
类型及结构有一下两种分类：（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。其可分为烧结型、薄膜型、厚膜型等。（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等。 2.湿敏传感器
首先我们先对湿度进行分类湿度的分类：绝对湿度和相对湿度（1）绝对湿度：一定温度和压
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