物理傳感器

本書系統(tǒng)闡述了磁敏感元器件和磁傳感器、壓電式傳感器、壓阻式傳感器等物理傳感器結(jié)構(gòu)、工作原理和特性，介紹了硅各向異性腐蝕技術(shù)、傳感器集成化及傳感器CAD等傳感器技術(shù)。

可以用不同的觀點對傳感器進(jìn)行分類：它們的轉(zhuǎn)換原理(傳感器工作的基本物理或化學(xué)效應(yīng))；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。

根據(jù)傳感器工作原理，可分為物理傳感器和化學(xué)傳感器二大類 ：

傳感器工作原理的分類物理傳感器應(yīng)用的是物理效應(yīng)，諸如壓電效應(yīng)，磁致伸縮現(xiàn)象，離化、極化、熱電、光電、磁電等效應(yīng)。被測信號量的微小變化都將轉(zhuǎn)換成電信號。

化學(xué)傳感器包括那些以化學(xué)吸附、電化學(xué)反應(yīng)等現(xiàn)象為因果關(guān)系的傳感器，被測信號量的微小變化也將轉(zhuǎn)換成電信號。

有些傳感器既不能劃分到物理類，也不能劃分為化學(xué)類。大多數(shù)傳感器是以物理原理為基礎(chǔ)運作的?；瘜W(xué)傳感器技術(shù)問題較多，例如可靠性問題，規(guī)模生產(chǎn)的可能性，價格問題等，解決了這類難題，化學(xué)傳感器的應(yīng)用將會有巨大增長。

常見傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域和工作原理列于下表。

1.按照其用途，傳感器可分類為：

壓力敏和力敏傳感器 位置傳感器

液面?zhèn)鞲衅?能耗傳感器

速度傳感器 加速度傳感器

射線輻射傳感器 熱敏傳感器

24GHz雷達(dá)傳感器

2.按照其原理，傳感器可分類為：

振動傳感器 濕敏傳感器

磁敏傳感器 氣敏傳感器

真空度傳感器 生物傳感器等。

以其輸出信號為標(biāo)準(zhǔn)可將傳感器分為：

模擬傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成模擬電信號。

數(shù)字傳感器——將被測量的非電學(xué)量轉(zhuǎn)換成數(shù)字輸出信號(包括直接和間接轉(zhuǎn)換)。

膺數(shù)字傳感器——將被測量的信號量轉(zhuǎn)換成頻率信號或短周期信號的輸出(包括直接或間接轉(zhuǎn)換)。

開關(guān)傳感器——當(dāng)一個被測量的信號達(dá)到某個特定的閾值時，傳感器相應(yīng)地輸出一個設(shè)定的低電平或高電平信號。

在外界因素的作用下，所有材料都會作出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。它們中的那些對外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用來制作傳感器的敏感元件。從所應(yīng)用的材料觀點出發(fā)可將傳感器分成下列幾類：

(1)按照其所用材料的類別分"para" label-module="para">

金屬"para" label-module="para">

(2)按材料的物理性質(zhì)分"_blank" href="/item/磁性材料/1116212" data-lemmaid="1116212">磁性材料"para" label-module="para">

(3)按材料的晶體結(jié)構(gòu)分"para" label-module="para">

單晶"para" label-module="para">

與采用新材料緊密相關(guān)的傳感器開發(fā)工作，可以歸納為下述三個方向："para" label-module="para">

(1)在已知的材料中探索新的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)，然后使它們能在傳感器技術(shù)中得到實際使用。"para" label-module="para">

(2)探索新的材料，應(yīng)用那些已知的現(xiàn)象、效應(yīng)和反應(yīng)來改進(jìn)傳感器技術(shù)。"para" label-module="para">

(3)在研究新型材料的基礎(chǔ)上探索新現(xiàn)象、新效應(yīng)和反應(yīng)，并在傳感器技術(shù)中加以具體實施。"para" label-module="para">

現(xiàn)代傳感器制造業(yè)的進(jìn)展取決于用于傳感器技術(shù)的新材料和敏感元件的開發(fā)強(qiáng)度。傳感器開發(fā)的基本趨勢是和半導(dǎo)體以及介質(zhì)材料的應(yīng)用密切關(guān)聯(lián)的。表1.2中給出了一些可用于傳感器技術(shù)的、能夠轉(zhuǎn)換能量形式的材料。"para" label-module="para">

按照其制造工藝，可以將傳感器區(qū)分為：

集成傳感器"_blank" href="/item/陶瓷傳感器/7520900" data-lemmaid="7520900">陶瓷傳感器

集成傳感器是用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)硅基半導(dǎo)體集成電路的工藝技術(shù)制造的。通常還將用于初步處理被測信號的部分電路也集成在同一芯片上。"para" label-module="para">

薄膜傳感器則是通過沉積在介質(zhì)襯底(基板)上的，相應(yīng)敏感材料的薄膜形成的。使用混合工藝時，同樣可將部分電路制造在此基板上。"para" label-module="para">

厚膜傳感器是利用相應(yīng)材料的漿料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后進(jìn)行熱處理，使厚膜成形。

陶瓷傳感器采用標(biāo)準(zhǔn)的陶瓷工藝或其某種變種工藝(溶膠-凝膠等)生產(chǎn)。"para" label-module="para">

完成適當(dāng)?shù)念A(yù)備性操作之后，已成形的元件在高溫中進(jìn)行燒結(jié)。厚膜和陶瓷傳感器這二種工藝之間有許多共同特性，在某些方面，可以認(rèn)為厚膜工藝是陶瓷工藝的一種變型。"para" label-module="para">

每種工藝技術(shù)都有自己的優(yōu)點和不足。由于研究、開發(fā)和生產(chǎn)所需的資本投入較低，以及傳感器參數(shù)的高穩(wěn)定性等原因，采用陶瓷和厚膜傳感器比較合理。

半導(dǎo)體傳感器

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)檢出對象，半導(dǎo)體傳感器可分為物理傳感器（檢出對象為光、溫度、磁、壓力、濕度等）、化學(xué)傳感器（檢出對象為氣體分子、離子、有機(jī)分子等）、生物傳感器（檢出對象為生物化學(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。通過在半導(dǎo)體中摻進(jìn)雜質(zhì)可以在禁帶中造成新的能級，可以人為地將光的吸收移至長波范圍。

半導(dǎo)體光傳感器種類很多，可以通過光導(dǎo)效應(yīng)、光電效應(yīng)、光電流等實現(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、光導(dǎo)膜與液晶元件相結(jié)合的器件、電荷耦合器件等 。

半導(dǎo)體傳感器溫度傳感器

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。這個電壓（塞貝克電壓uS）約為150μV/K。對N型半導(dǎo)體，圖2 中載流子為電子，冷端連接點為負(fù)。因此，同時使用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）大一個數(shù)量級。

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)換成電信號而檢出。這可用來測量一點的溫度，如測溫度分布，則需進(jìn)行掃描。當(dāng)對象溫度低、只能發(fā)射紅外線時，則須檢出其紅外線。

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，在電子學(xué)領(lǐng)域得到應(yīng)用。此外，還可利用磁效應(yīng)制作長度與重量傳感器、高分辨（0.01度）的傾斜傳感器，以及測定液體流量等 。

半導(dǎo)體傳感器壓力傳感器

半導(dǎo)體在承受壓力時禁帶寬度發(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截面積減小引起的電阻變化要大兩個數(shù)量級。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)體壓力傳感器測量生物體各部分的壓力比使用古老的脈壓、血壓測量方法，具有精度高、體積小、可在生物體自然狀態(tài)下測量和安全（微小電流）的優(yōu)點。

半導(dǎo)體傳感器濕度傳感器

當(dāng)半導(dǎo)體表面或界面吸附氣體分子或水分子時，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，實用的有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)合能自動去濕，節(jié)省電能。TiO₂-V₂O₅系陶瓷濕度傳感器耐熱性好，可測量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)物蒸氣時的濕度測量。

半導(dǎo)體傳感器氣體傳感器

利用半導(dǎo)體與氣體接觸時電阻或功函數(shù)發(fā)生變化這一特性檢測氣體。氣體傳感器分為電阻式與非電阻式兩種。

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)時引起的功函數(shù)變化來檢測氣體。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，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C-V特性的漂移檢測氣體）和MOS FET型傳感器（通過MOS FET的閾值電壓變化檢測氣體）。

半導(dǎo)體氣體傳感器靈敏度高，可用于可燃?xì)怏w防爆報警器，CO、H₂S等有毒氣體的監(jiān)測器。通過穩(wěn)定性研究，一些傳感器可用于氣體濃度的定量監(jiān)測。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、自動控制等方面有廣泛的應(yīng)用。

半導(dǎo)體傳感器離子傳感器

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)測量，隨時監(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變化。利用這種場效應(yīng)制成的絕緣柵場效應(yīng)晶體管 (IGFET）可作為化學(xué)傳感器。而在測量離子時，即稱為離子靈敏場效應(yīng)晶體管（ISFET）。ISFET的柵絕緣層表面只對特定的離子產(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大的問題，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。ISFET可用來測量H 、Na 、K 、Ca 、Ag 、NH嬃等陽離子和F-、Cl-、Br-、I-、CN-等陰離子，還可制成復(fù)合ISFET（即同一 ISFET可測幾種不同的離子）和FET型的參考電極（REFFET）等 。

半導(dǎo)體傳感器生物傳感器

改變 ISFET敏感膜或采用其他結(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，迅速而又簡便。生物傳感器正向檢測更復(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)點是靈敏度高、可靠性好、可實現(xiàn)多功能、 小型化、 智能化，缺點是多感性、選擇性差、在極限狀態(tài)下（例如高溫）不能使用。針對結(jié)晶型半導(dǎo)體傳感器的不足，人們正在研究無定形半導(dǎo)體傳感器。