半导体传感器概述

Sze Ch.14 系统阐述了半导体传感器物理:从热传感器(§14.2)、机械传感器(§14.3)、磁传感器(§14.4)到化学传感器(§14.5)。传感器将物理/化学量转换为电信号,是 MEMS 和物联网的核心器件。本文基于 Sze Ch.14 全章提炼。


前后关系

前置知识:

本书内部链条:

  • 传感器是半导体器件物理的延伸应用,与 Part I–IV 的器件基础紧密关联

1. 热传感器(§14.2)

1.1 热敏电阻(Thermistor)

NTC(负温度系数)热敏电阻:

其中 为材料常数(2000–5000 K), 通常取 298 K。

温度系数:

  • 材料:过渡金属氧化物(Mn、Ni、Co 氧化物陶瓷)
  • 特点:高灵敏度、非线性、工作温度范围有限

PTC(正温度系数):BaTiO₃ 基陶瓷,在居里温度附近电阻急剧上升。

1.2 二极管温度传感器

利用 p-n 结正向压降的温度依赖:

  • 灵敏度:~ 至 mV/°C
  • 优点:线性度好、可集成、低成本
  • 典型器件:集成温度传感器(LM35 等)

双电流法消除非理想因素:

因子被消除 → 精确测温。

1.3 晶体管温度传感器

利用 BJT 的 温度依赖。双晶体管差分结构消除工艺偏差:

  • 带隙基准(bandgap reference)同源原理
  • 精度:±0.1°C(校准后)

1.4 电阻温度检测器 RTD

  • 材料:铂(Pt)、镍(Ni)、铜(Cu)
  • 线性温度-电阻关系:
  • Pt RTD:/°C
  • 优点:高精度、宽温度范围、稳定性好
  • 缺点:灵敏度低于热敏电阻

1.5 热电偶(Thermocouple)

基于 Seebeck 效应:两种不同金属连接点处温差产生电压。

其中 为两种材料的 Seebeck 系数。

三种热电效应:

效应描述
Seebeck温差 → 电压(测温基础)
Peltier电流 → 热流(制冷应用)
Thomson均匀导体中温度梯度+电流 → 热吸收/释放

热电堆(Thermopile):多个热电偶串联 → 提高灵敏度。


2. 机械传感器(§14.3)

2.1 应变计(Strain Gauge)

压阻效应:应力改变电阻。

电阻变化:

其中 为泊松比, 为纵向压阻系数, 为杨氏模量, 为规因子(Gauge Factor)。

类型规因子 特点
金属应变计1.5–2.0几何效应主导,线性好
Si 压阻应变计50–250压阻效应主导,高灵敏度,温度依赖

Si 压阻传感器:利用 Si 的强压阻效应,集成在 MEMS 结构中。

  • 应用:压力传感器、加速度计、力传感器
  • 惠斯通电桥读出

2.2 压电传感器

压电效应:机械应力 → 电极化 → 电压(自发电式)。

本构方程:

其中 为应变, 为应力, 为电场, 为电位移, 为压电常数, 为弹性柔顺系数。

  • 材料:ZnO、AlN、PZT(锆钛酸铅)、PVDF(聚合物)
  • 特点:自发电、高频响应好、但不能测静态量
  • 应用:加速度计、超声换能器、RF 滤波器

2.3 IDT / SAW 器件

叉指换能器(Interdigital Transducer, IDT)将电信号转换为表面声波(SAW),反之亦然。

中心频率:

其中 为声表面波速度, 为 IDT 指条周期。

频率响应: 包络(由有限 IDT 孔径决定)。

应用描述
延迟线信号延迟(电视中频滤波器)
滤波器高 Q 值带通滤波(手机 RF 前端)
传感器质量/温度/压力敏感(频率偏移)
  • 材料:石英(LiNbO₃)、LiTaO₃
  • 频率范围:数十 MHz 至数 GHz

2.4 电容式机械传感器

  • 可动极板 + 固定极板 → 位移改变电容
  • 应用:MEMS 加速度计(ADI 产品)、压力传感器
  • 读出电路:开关电容、ΣΔ 调制器

3. 磁传感器(§14.4)

3.1 霍尔板(Hall Plate)

霍尔效应:载流子在磁场中偏转 → 横向电压。

其中 为霍尔系数, 为宽度, 为电流密度, 为磁感应强度。

几何修正因子 :考虑短宽比影响。

偏移电压:电极不对称导致零磁场下有残余电压 → 需补偿。

  • 材料:InSb(高迁移率)、GaAs、Si
  • 应用:电流传感器、位置传感器、罗盘

3.2 磁敏电阻(Magnetoresistor)

物理磁阻效应:磁场改变载流子轨迹 → 电阻变化。

其中 为与材料相关的常数, 为迁移率。

几何磁阻效应:Corbino 盘结构(无霍尔电压的环形样品)→ 纯磁阻。

  • 材料:InSb( 极高 → 高灵敏度)
  • 应用:角度传感器、转速检测

3.3 磁敏二极管

p-i-n 结构 + 高复合表面 → 磁场调制复合电流。

  • 磁场方向平行于 p-i-n 平面
  • 磁场改变载流子偏转 → 改变到达复合面的比例 → 调制电流
  • 灵敏度:可达 20%/T

3.4 磁敏晶体管

模式机制
偏转模式磁场偏转载流子路径 → 改变集电极电流分配
注入调制模式磁场调制发射极注入效率 → 改变集电极电流
  • 增益: 受磁场调制
  • 灵敏度:远高于单晶体管

3.5 MAGFET

磁敏场效应晶体管:split-drain 结构。

  • 两个漏极对称放置
  • 无磁场时:
  • 有磁场时:载流子偏转 →
  • 差分输出 → 高灵敏度、低偏移

3.6 载流子畴传感器

利用 GaAs 中的 Gunn 效应(转移电子效应),磁场改变畴的形成和传播特性 → 微波振荡频率变化。


4. 化学传感器(§14.5)

4.1 金属氧化物气敏传感器

SnO₂ 基传感器(最成熟):

  • 原理:还原性气体(CO、H₂、CH₄)与表面吸附氧反应 → 改变电阻
  • 晶界势垒模型:

气体吸附改变势垒高度 → 电阻变化。

  • 工作温度:200–400°C(需加热器)
  • 选择性:通过掺杂和温度调节

4.2 ISFET(离子敏感场效应晶体管)

原理:MOSFET 的栅极绝缘层暴露于溶液中 → 溶液离子调制沟道。

平带电压:

其中 为绝缘层-溶液界面电位(pH 依赖), 为溶液电位。

pH 灵敏度:20–40 mV/pH(理想 Nernst 极限 59 mV/pH at 25°C)。

  • 绝缘层材料:Si₃N₄、Al₂O₃、Ta₂O₅
  • 应用:pH 检测、生物分子检测、环境监测

4.3 催化金属传感器

Pd 栅极检测 H₂:

  • H₂ 在 Pd 表面解离 → 形成 Pd 偶极层
  • 偶极层改变有效功函数 → MOS 电容 C-V 平移
  • 灵敏度:ppm 级 H₂ 检测
  • 响应时间:< 1 s

4.4 生物传感器

  • 酶 FET(ENFET):酶反应改变局部 pH → FET 检测
  • DNA 传感器:杂交事件改变表面电荷
  • 免疫传感器:抗原-抗体结合 → 电容/电位变化
  • 应用:医疗诊断、食品安全、环境监测

传感器类型对比总表

类别器件被测量输出信号典型灵敏度
热热敏电阻温度电阻~/K
热二极管/晶体管温度电压~ mV/°C
热RTD (Pt)温度电阻~/°C
热热电偶温差电压~40 μV/K
机械应变计应变电阻GF = 50–250 (Si)
机械压电应力电压自发电
机械SAW质量/温度频率~kHz/ng
磁霍尔板磁场电压~mV/T
磁磁敏电阻磁场电阻~ 依赖
磁MAGFET磁场差分电流~%/T
化学SnO₂气体浓度电阻~%/ppm
化学ISFETpH电压20–40 mV/pH
化学Pd-MOSH₂C-V 平移ppm 级

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