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半导体式传感器工作原理
 

随着材料科学和固体物理效应的不断发现,新型的半导体敏感元件不断出现。目前已有热敏、光敏、力敏、磁敏、气敏、湿敏等多种类型。利用半导体材料的各种物理效应,可以把力、热、光、磁、气、湿度、射线、离子等一些物理量、化学量和生物量的变化转换为便于处理的电信号,从而制成各种半导体传感器,在工业控制领域和人们的日常生活中得到越来越广泛的应用。
以半导体敏感元件为核心的半导体传感器,具有灵敏度高、响应速度快、结构简单、体积小、质量轻、成本低、便于集成化和智能化的优点,但是由于特性的散性、温度不稳定性和易受干扰的缺点,在某些情况下又限制了半导体传感器的应用。
下面将介绍半导体气敏传感器、湿敏传感器、磁敏传感器和离子敏传感器。

半导体气敏传感器
气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器,根据这些电信号的强弱就可以获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息,从而可以进行检测、监控、报警,还可以通过接口电路与计算机或单片机组成自动检测、控制和报警系统。
由于气敏传感器是暴露在检测现场使用,工作条件比较恶劣,温度、湿度的变化很大,又存在大量粉尘和油雾等,气体对传感元件的材料会产生化学反应物,附着在元件表面,往往会使其性能变差,因此要求气敏传感器的性能必须满足下列条件:
(1) 能够检测易爆炸气体的允许浓度、有害气体的允许浓度和其他基准设定浓度,并能及时给出报警、显示和控制信号。
(2) 对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。
(3) 性能长期稳定性好、重复性好、动态特性好、响应迅速。
(4) 使用、维护方便,价格便宜等。
由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和成本低等优点,所以应用很广。

半导体湿敏传感器
湿敏传感器是由湿敏元件和转换电路等组成,能感受外界湿度(通常将空气或其他气体中的水分含量称为湿度)变化,并通过器件材料的物理或化学性质变化,将环境湿度变换为电信号的装置。
与温度测量相比,对湿度进行精确地测量是很困难的,其原因在于空气中所含的水蒸气含量极少,比空气少得多,并且难于集中在湿敏元件表面,此外水蒸气会使一些感湿材料溶解、腐蚀、老化,从而丧失原有的感湿性能;再者湿度信息的传递必须靠水对感湿元件直接接触来完成,因此感湿元件只能暴露在待测环境中,而不能密封,易于损坏。20 世纪 50年代后,陆续出现了电阻型等湿敏计,使湿度的测量精度大大提高,但是,与其他物理量的检测相比,无论是敏感元件的性能,还是制造工艺和测量精度都差得多和因难得多。近几年出现的半导体湿敏元件和 MOS 型湿敏元件已达到较高水平,具有工作范围宽、响应速度快、环境适应能力强等特点。

半导体磁敏传感器
磁敏传感器是把磁学物理量转换成电信号的传感器,它广泛地应用于自动控制、信息传递、电磁测量、生物医学等各个领域。磁敏式传感器按其结构可分为体型和结型两大类,前者有霍耳传感器(其材料主要有 InSb,InAs,Ge,Si,GaAs 等)和磁敏电阻(1nSb,InAs),后者有磁敏二极管(Ge,Si)、磁敏晶体管(Si 等),它们都是利用半导体材料中的自由电子或空穴随磁场改变其运动方向这一特性而制成的一种磁敏传感器。
近年来磁敏传感器的应用日益扩大,地位越来越重要。磁敏传感器的应用范围可分为模拟用途和数字用途两种。例如利用霍耳传感器测量磁场强度,用磁敏电阻、磁敏二极管作无接触式开关等。

离子敏传感器
离子敏传感器是将溶液中的离子活度转换为电信号的传感器。在化学、化工、生物、生物技术、医药卫生、轻工、食品、农业与环境保护等领域的应用日渐增多,它是化学量传感器中制作工艺较成熟、实用化较早的一类传感器。其中离子敏场效应晶体管(ISFET),是一种对离子具有选择敏感作用的场效应晶体管, 既具有离子选择性电极(ISE)响应被测离子的特性, 又具有场效应晶体管的特性, 是离子选择电极技术和固体微电子技术相结合的产物。
与 ISE 相比,ISFET 具有体积小、响应快、输入阻抗高、输出阻抗低、易于集成、测量设备简单等优点,因而更具有生命力。目前,己研制成十多种 ISFET,检测对象为氢、钾、钠、钙、氟、氯、碘、氰、银、硫、铵等十余种离子,并已有集成化的ISFET器件出现。


 
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