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半導體式傳感器工作原理
 

隨著材料科學和固體物理效應的不斷發現,新型的半導體敏感元件不斷出現。目前已有熱敏、光敏、力敏、磁敏、氣敏、濕敏等多種類型。利用半導體材料的各種物理效應,可以把力、熱、光、磁、氣、濕度、射線、離子等一些物理量、化學量和生物量的變化轉換為便於處理的電信號,從而制成各種半導體傳感器,在工業控制領域和人們的日常生活中得到越來越廣泛的應用。
以半導體敏感元件為核心的半導體傳感器,具有靈敏度高、響應速度快、結構簡單、體積小、質量輕、成本低、便於集成化和智能化的優點,但是由於特性的散性、溫度不穩定性和易受幹擾的缺點,在某些情況下又限制了半導體傳感器的應用。
下面將介紹半導體氣敏傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器和離子敏傳感器。

半導體氣敏傳感器
氣敏傳感器是一種將檢測到的氣體成分和濃度轉換為電信號的傳感器,根據這些電信號的強弱就可以獲得與待測氣體在環境中存在情況有關的信息,從而可以進行檢測、監控、報警,還可以通過接口電路與計算機或單片機組成自動檢測、控制和報警系統。
由於氣敏傳感器是暴露在檢測現場使用,工作條件比較惡劣,溫度、濕度的變化很大,又存在大量粉塵和油霧等,氣體對傳感元件的材料會產生化學反應物,附著在元件表面,往往會使其性能變差,因此要求氣敏傳感器的性能必須滿足下列條件:
(1) 能夠檢測易爆炸氣體的允許濃度、有害氣體的允許濃度和其他基準設定濃度,並能及時給出報警、顯示和控制信號。
(2) 對被測氣體以外的共存氣體或物質不敏感。
(3) 性能長期穩定性好、重復性好、動態特性好、響應迅速。
(4) 使用、維護方便,價格便宜等。
由於半導體氣敏傳感器具有靈敏度高、響應快、使用壽命長和成本低等優點,所以應用很廣。

半導體濕敏傳感器
濕敏傳感器是由濕敏元件和轉換電路等組成,能感受外界濕度(通常將空氣或其他氣體中的水分含量稱為濕度)變化,並通過器件材料的物理或化學性質變化,將環境濕度變換為電信號的裝置。
與溫度測量相比,對濕度進行精確地測量是很困難的,其原因在於空氣中所含的水蒸氣含量極少,比空氣少得多,並且難於集中在濕敏元件表面,此外水蒸氣會使一些感濕材料溶解、腐蝕、老化,從而喪失原有的感濕性能;再者濕度信息的傳遞必須靠水對感濕元件直接接觸來完成,因此感濕元件只能暴露在待測環境中,而不能密封,易於損壞。20 世紀 50年代後,陸續出現了電阻型等濕敏計,使濕度的測量精度大大提高,但是,與其他物理量的檢測相比,無論是敏感元件的性能,還是制造工藝和測量精度都差得多和因難得多。近幾年出現的半導體濕敏元件和 MOS 型濕敏元件已達到較高水平,具有工作範圍寬、響應速度快、環境適應能力強等特點。

半導體磁敏傳感器
磁敏傳感器是把磁學物理量轉換成電信號的傳感器,它廣泛地應用於自動控制、信息傳遞、電磁測量、生物醫學等各個領域。磁敏式傳感器按其結構可分為體型和結型兩大類,前者有霍耳傳感器(其材料主要有 InSb,InAs,Ge,Si,GaAs 等)和磁敏電阻(1nSb,InAs),後者有磁敏二極管(Ge,Si)、磁敏晶體管(Si 等),它們都是利用半導體材料中的自由電子或空穴隨磁場改變其運動方向這一特性而制成的一種磁敏傳感器。
近年來磁敏傳感器的應用日益擴大,地位越來越重要。磁敏傳感器的應用範圍可分為模擬用途和數字用途兩種。例如利用霍耳傳感器測量磁場強度,用磁敏電阻、磁敏二極管作無接觸式開關等。

離子敏傳感器
離子敏傳感器是將溶液中的離子活度轉換為電信號的傳感器。在化學、化工、生物、生物技術、醫藥衛生、輕工、食品、農業與環境保護等領域的應用日漸增多,它是化學量傳感器中制作工藝較成熟、實用化較早的一類傳感器。其中離子敏場效應晶體管(ISFET),是一種對離子具有選擇敏感作用的場效應晶體管, 既具有離子選擇性電極(ISE)響應被測離子的特性, 又具有場效應晶體管的特性, 是離子選擇電極技術和固體微電子技術相結合的產物。
與 ISE 相比,ISFET 具有體積小、響應快、輸入阻抗高、輸出阻抗低、易於集成、測量設備簡單等優點,因而更具有生命力。目前,己研制成十多種 ISFET,檢測對象為氫、鉀、鈉、鈣、氟、氯、碘、氰、銀、硫、銨等十余種離子,並已有集成化的ISFET器件出現。


 
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