物理传感器工作原理

本书系统阐述了磁敏感元器件和磁传感器、压电式传感器、压阻式传感器等物理传感器结构、工作原理和特性，介绍了硅各向异性腐蚀技术、传感器集成化及传感器CAD等传感器技术。

可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理(传感器工作的基本物理或化学效应)；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。

根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器二大类 ：

传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。

化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。

有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感器是以物理原理为基础运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传感器的应用将会有巨大增长。

常见传感器的应用领域和工作原理列于下表。

1.按照其用途，传感器可分类为：

压力敏和力敏传感器 位置传感器

液面传感器 能耗传感器

速度传感器 加速度传感器

射线辐射传感器 热敏传感器

24GHz雷达传感器

2.按照其原理，传感器可分类为：

振动传感器 湿敏传感器

磁敏传感器 气敏传感器

真空度传感器 生物传感器等。

以其输出信号为标准可将传感器分为：

模拟传感器——将被测量的非电学量转换成模拟电信号。

数字传感器——将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接和间接转换)。

膺数字传感器——将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出(包括直接或间接转换)。

开关传感器——当一个被测量的信号达到某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。

在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征性的反应。它们中的那些对外界作用最敏感的材料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出发可将传感器分成下列几类：

(1)按照其所用材料的类别分"para" label-module="para">

金属"para" label-module="para">

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

(3)按材料的晶体结构分"para" label-module="para">

单晶"para" label-module="para">

与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向："para" label-module="para">

(1)在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技术中得到实际使用。"para" label-module="para">

(2)探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。"para" label-module="para">

(3)在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。"para" label-module="para">

现代传感器制造业的进展取决于用于传感器技术的新材料和敏感元件的开发强度。传感器开发的基本趋势是和半导体以及介质材料的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够转换能量形式的材料。"para" label-module="para">

按照其制造工艺，可以将传感器区分为：

集成传感器"_blank" href="/item/陶瓷传感器/7520900" data-lemmaid="7520900">陶瓷传感器

集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。"para" label-module="para">

薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板)上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。"para" label-module="para">

厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的，基片通常是Al2O3制成的，然后进行热处理，使厚膜成形。

陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶-凝胶等)生产。"para" label-module="para">

完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进行烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。"para" label-module="para">

每种工艺技术都有自己的优点和不足。由于研究、开发和生产所需的资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因，采用陶瓷和厚膜传感器比较合理。

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 。

半导体传感器温度传感器

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 。

半导体传感器压力传感器

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。

半导体传感器湿度传感器

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。

半导体传感器气体传感器

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。

半导体传感器离子传感器

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 。

半导体传感器生物传感器

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。