半导体传感器化学传感器

半导体传感器化学传感器第一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五内容简介电化学传感器质量传感器热化学传感器第二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五简介化学传感器——能感受规定的化学量并转换成可用输出信号的传感器GB/T7665-1978《传感器通用术语》能够通过某种化学反应以选择性方式对特定的待分析物质产生响应从而对分析物质进行定性或定量测定的装置。第三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五识别元件被分析物化学信息换能器电信号二次仪表

构成：识别元件、换能器、相应电路分子识别元件与被识别物发生相互作用时，其物理、化学参数会发生变化（离子、电子、热、质量等），再通过换能器将这些参数转变成与分析物特性有关的可定性或定量处理的电信号或者光信号，然后经过放大、储存，最后以适当的形式将信号显示出来。第四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五化学传感器的分类按传感方式，化学传感器可分为接触式与非接触式化学传感器。按检测对象，化学传感器分为气体传感器、湿度传感器、离子传感器。按工作原理，化学传感器分为电化学传感器、质量传感器、热化学传感器。第五页，共三十七页，编辑于2023年，星期五电化学传感器电化学传感器可分场效应传感器，电位型传感器，电流型传感器，电导型传感器。场效应传感器场效应晶体管（FET）是现代微电子学主要组成部分，基于自由载流子向半导体中可控注入的有源器件。主要介绍电分析化学相关的金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）传感器、离子敏场效应晶体管（ISFET）。第六页，共三十七页，编辑于2023年，星期五MOSFET工作原理P型硅衬底上有两个相距较近的n型区：源扩散区和漏扩散区。扩散区之间硅面上有一层薄氧化膜，膜上有一个由蒸发光刻的金属电极，电极覆盖在两个扩散区间，叫栅极G。扩散区制作了欧姆接触，并引出电极引线，接正极n型区称为漏极d，则另一个n区为源极S。结构示意图：n型源极和漏极之间隔着p型衬底。当在源极、漏极之间施加一定电压时，由于p型衬底阻隔，电流不能通过栅极上没有电压。第七页，共三十七页，编辑于2023年，星期五在栅极上加正电压并达到一定值时，栅极下面会产生一个电场，吸引p型硅体内的电子到表面附近。使得栅极下的硅表面形成了一个含有大量电子的薄层，一个能导电的n型层。反型层形成的导电沟道将源扩散区和漏扩散区连接起来，当在漏极、源极间施加一定电压时，会有电流通过。增大栅极上正电压时，反层中的电子增加，导电沟道的电阻也会减小，从而使产生的电流增加。反之，减小栅极上正电压时，反型层中电子减少，导电沟道的电阻增大，则流过沟道的电流就减小。第八页，共三十七页，编辑于2023年，星期五当漏源电压VDS一定时，漏电流ID随栅源电压VGS变化而变化，其关系如图。VGS<VT时，漏电流ID=0；VGS>VT时，产生一定漏电流，并且ID随VGS增大而变大。栅源电压VT表示晶体管由不导电到导电的临界值-开启电压/阈电压。当VGS=0时，晶体管的漏、源扩散区之间不导电；当VGS>VT时，硅表面形成了n型导电沟道，晶体管才开始导电。第九页，共三十七页，编辑于2023年，星期五ISFET传感器将溶液中电解质的离子活度转换成电信号输出的FET传感器。ISFET由离子选择电极（ISE）和MOSFET组合成，对粒子具有选择性的一种场效应晶体管。具体：去掉MOSFET金属铝栅极，在上面涂敷一层离子敏感膜或换择性酶，敏感膜与待测溶液中离子发生特定响应时，膜电位或膜电压会改变。若VDS,VGS保持不变，则ID随被测离子活度变化而变化，通过测量ID即可测得被测离子的活度-电流法。在ISFET饱和区和非饱和区中，当ID和VGS保持恒定时，VGS变化与被测离子活度相关-电位法。去掉金属铝栅极，涂敷离子敏感膜或换择性酶第十页，共三十七页，编辑于2023年，星期五ISFET结构：在MOSFET栅极上涂敷敏感膜的ISFET，无机绝缘栅ISFET、有机高分子PVC膜ISFET和固态敏感膜ISFET。例：在MOSFET栅极上涂敷敏感膜的ISFET，从MOSFET栅极上引出一根铂银丝，在铂线上涂敷敏感膜，并密封在玻璃管内。寿命长、电位漂移小，但是不易集成化，体积比较大。第十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五ISFET的阈值电压由于ISFET金属栅极被参比电极和待测溶液所取代，则金属电极与半导体接触的电势差可看成由参比电极与半导体接触势差φms、参比电极电位EREF和溶液与膜界面的能斯特电位EM组成。若栅极电压等于2倍费米势，则半导体表面反型，形成导电沟道。此时栅极所加电压-阈值电压VT*：VF费米能级与禁带宽度中央能级的电势差；QSS为Si-SiO2界面处电荷密度；COX为单位面积的栅电容；QD为耗尽层中单位面积电荷。第十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五MOSFET传感器利用其开启电压随待测物质浓度变化特征来工作。ISFET插入溶液时，待测溶液与敏感膜的界面势被叠加到栅敏感膜上，其值取决于待测离子浓度。例如：ISFET阈值电压与被测溶液中H+活度的对数成线性关系。第十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五电位型传感器——最早研究和应用的电化学传感器通过测定指示电极与参比电极的电位差值与响应离子活度的对数呈线性关系来确定物质的浓度。研究最多的是离子传感器ISE，亦离子选择电极（例：PH传感器，即电位-PH计）。响应于特定的离子，四个基本部分组成：电极腔体―玻璃或高分子聚合物材料内参比电极―通常为Ag/AgCl电极内参比溶液―由氯化物及响应离子的强电解质溶液组成敏感膜―对离子具有高选择性的响应膜第十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五ISE测量原理电极膜（核心部分）：对阳离子有选择性穿透的薄膜，当电极浸入含该离子的溶液中，选择性敏感膜仅允许响应离子由薄膜外表面接触的溶液进入电极内部溶液。内部溶液中含有一定活度的平衡离子，由于薄膜内外离子活度不同响应离子由活度高的试样溶液向活度低的内充溶液扩散时有一瞬间的通量，因离子带有电荷电极敏感膜两侧电荷分布不均匀形成了双电层结构，产生电位差—相间电位。电极电位的大小与溶液中离子活度符合能斯持方程：ai响应离子活度（不是浓度！)第十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期五单电极绝对电势无法测量，用参考电极构成原电池测电极的相对电动势值。原电池反应两个电极中一个电极的电位随被测离子浓度变化而变化称指示电极，另一个电极不受离子浓度影响，具有恒定电位且已知，称为参比电极。

测量过程中，离子选择电极内含有的已知离子浓度的电极液，产生相电位，样本中离子活度不同，产生的电位信号的大小也不同。通过测量电极电位信号大小就可以测定样本中离子的活度。电极内液与样本之间的离子浓度差使电极膜产生的电化学电位由电极输往放大器的输入端，放大器的另一个输入端与参比电极电位并接地，产生与浓度相对应的电压差信号，这个电压信号进一步放大，形成电压差响应。第十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期五如将离子选择性电极与甘汞电极组成电池，则电池电动势为：

离子选择性电极的典型校正曲线根据上式，只要配制一系列已知浓度的标准溶液，并以测得的电动势E值与相应的浓度（对数）值绘制校正曲线，即可按相同步骤求得未知溶液中待测离子的浓度。第十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期五离子选择电极分类第十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期五电化学传感器的应用测量酸碱度和温度的高精密度测量仪器可靠的pH计/ORP电极用于工艺和水测量测量空气中某成分含量食品含量测定第十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期五质量传感器压电化学传感器基于石英晶体的压电效应，对其电极表面质量变化进行测量的装置。基本部件是一个具有压电效应的石英晶体谐振器。将一很薄的石英晶片两面镀上金属薄层（电极材料）构成晶体振荡元件，简称晶振。压电石英晶体谐振器基础理论1.压电效应：当某些晶体受到机械力而发生拉伸或压缩时，晶体相对的两个表面会出现等量的异号电荷-压电现象。可逆，正压电效应和逆压电效应的总称。第二十页，共三十七页，编辑于2023年，星期五正压电效应：由于它们结晶点阵的特殊结构，当它们发生机械形变(如压缩或伸长)时，其相对的两个表面会呈现异号电荷，外力与端面积愈大，则出现的电荷就愈多。作用力撤去，电荷消失。逆压电效应：当压电体上加电场时，压电体会发生机械形变(伸长或缩短)。如果压电体上加交变电场，则压电体就会交替出现伸长和压缩，即发生机械振动。电场作用力撤除后，形变也消失。电致伸缩效应：电介质在电场作用下由于诱导极化引起的变形，应变的正负与外电场方向无关。第二十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五2.压电材料第二十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五3压电石英晶体谐振器晶体的主要特征原子或分子有规律排列，宏观上是外形对称性。在电场的作用下，晶体内部产生应力而形变，从而产生机械振动，获得特定的频率。利用这种逆压电效应特性来制造石英晶体谐振器。利用制成的谐振元件与半导体器件和阻容元件一起使用,便可构成石英晶体振荡器。若谐振器由石英制成，称为石英晶体微天平（QCM）。第二十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五等效电路：石英晶体谐振器的振动实质上是一种机械振动。实际上，石英晶体谐振器可以被一个具有电子转换性能的两端网络测出。这个回路包括L1、C1，同时C0作为一个石英晶体的绝缘体的电容被并入回路，与弹性振动有关的阻抗R1是在谐振频率时石英晶体谐振器的谐振阻抗。内容重复！第二十四页，共三十七页，编辑于2023年，星期五悬臂梁化学传感器最柔韧的微机械系统之一，特性把悬臂梁机械行为转换为可检测的信号。悬臂梁由硅类化合物）硅、二氧化硅、氮化硅、金刚石）组成。可检测气体、温度、压力、生物、力学等变量。悬臂梁分为静态、动态两种检测模式。第二十五页，共三十七页，编辑于2023年，星期五基本原理静态模式：通过悬臂梁的弯曲把需要检测物理量转换为可检测信号。4-38一束激光照在悬臂梁传感器单表面，反射光由一个相位灵敏调解器接收后输出进行分析。当悬臂梁传感器由于单表面吸附物质发生弯曲后，光的照射位置和反射角都会发生变化。通过测量这一变化实现目标化合物的检测。4-39检测依赖于悬臂梁表面产生力的变化，因而传感器对目标化合物的吸附或固定必须仅在悬臂梁一面发生，使得可测量压力信号最大。悬臂梁尽量长且柔软，增大其偏转。第二十六页，共三十七页，编辑于2023年，星期五动态模式：通过悬臂梁的共振频率变化和悬臂梁的衰减把所需要测量的物理量转换为可检测信号。可同时检测悬臂梁表面压力和质量变化，可得到更多传感器信息，不需将目标化合物吸附限制在悬臂梁单面。通过测量悬臂梁共振和衰减效应可确定悬臂梁周围气体或液体的粘性、密度。悬臂梁尽量短且坚硬，使其操作效率高。第二十七页，共三十七页，编辑于2023年，星期五静态检测模式针对传感器弯曲进行检测，质量增加、温度变化都会引起悬臂梁传感器弯曲。正常情况下，作用在悬臂梁两表面作用力相等。其中一面吸附物质而质量增加时会使两表面作用力不等，引起悬臂梁弯曲。弯曲曲率半径R：t悬臂梁厚度；υ泊松比率；Eyoung系数；ΔS表面压力

ΔS近似等于悬臂梁表面质量变化：ΔS=CΔmaC吸附分子粘性系数比例常数那么长度为l的悬臂梁弯曲最大距离ymax可表示为：第二十八页，共三十七页，编辑于2023年，星期五动态检测模式由其几何形状、弹性常数、共振频率共同表征。第二十九页，共三十七页，编辑于2023年，星期五应用第三十页，共三十七页，编辑于2023年，星期五热化学传感器工作原理根据特定的化学反应或对被分析物的吸收作用所产生的热效应进行测量，从而对待测物进行定性分析。量热学主要应用了能量守恒定律和热传递定律，热化学传感器需要对热效应及热交换速率进行精确测量。热效应测量途径：测量温度变化、测量保持等温条件所需能量、通过固定导热系数测量温差。第三十一页，共三十七页，编辑于2023年，星期五温度检测元件：利用换能器的电磁参数（电阻、磁导、电势）具有随温度变化而变化的特性，来进行温度测量的器件，主要有热电阻、热电偶、热电堆和pn结等，通常与电流放大器结合起来实现能量形式的转换。热电阻：电阻值随温度变化而变化的金属导体材料。它的主要特点是测量精度高，性能稳定，主要用于测量-200～500℃内温度。制作材料主要是纯金属，工业测量用金属热电阻材料铂、铜，并已制成标准测温热电阻。第三十二页，共三十七页，编辑于2023年，星期五铂电阻与温度之间关系接近于直线，适合精确测量。铜电阻精确要求不高，测温范围较小-150～150℃。铜电阻与温度之间呈线性关系，电阻与温度满足关系式：第三十三页，共三十七页，编辑于2023年，星期五热敏电阻：用半导体材料制成、电阻随温度变化而显著的敏感元件。按物理特性一般分为负温度系数热敏电阻（NTC）、正温度系数热敏电阻（PTC）、临界温度系数热敏电阻（CTR）。稳定致密而粗糙的陶瓷样半导体小珠、棒状或者盘状，由铁、铜、镍、锰、锌、钛、镁等烧结而成。热电偶：利用半导体或半导体的热电效应将温度的变化转换为电势变化的一种原件。（塞贝克效应：指在两种不同导电材料构成的闭合回路中，当两个接点温度不同时，回路中产生的电势使热能转变为电能的一种现象。）热电堆：将热电偶串联集合在一起的热电器件，可显著提高所输出的电动势。第三十四