| 单词 | 半导体传感器 |
| 释义 | 【半导体传感器】 拼译：semiconductor transducer 传感器是现代测控系统中不可少的元件，通常体积较小，结构也不复杂。然而，传感器处于连接被测对象和测试系统的接口位置，构成了系统信息输入的主要“窗口”，为系统提供需要进行处理的信息。所以，传感器是从质和量一次性地确定信息的敏感元件。现代科学技术，特别是超高温(109℃)、超低温(0．01K)、超高压(303MPa以上)、超高真空(1．33×10－13Pa)、超高磁场(25T以上)、超弱磁场(10－19T)、强放电、强辐射、强电子束以及长到数十亿年的天体演化，短到10－24秒的瞬间反应等等的测量是人类感官或用单纯用电子设备无法直接检测获得的，只有应用相应的传感技术才能获得。20世纪90年代，传感器技术已经渗透到宇宙开发、海洋探测，环境保持、资源调查、情报处理、健康管理、生物工程、甚至文物保护等极其广泛的领域中去。由此可见，研究传感器理论、开发传感器技术，在科学上和国民经济建设上具有十分重要的意义。 90年代，现代传感器技术本身也正向着一门独立的科学发展，国外把它称为“传感器工程学”。美国从1976年起，每年召开传感器讨论会，并出版了《AD》报告，英国、日本等均曾召开相应的学术会议。日本从1980年起，准备实现产业、社会、生活、政治及科研电子化，主要是采用6大核心技术来实现，即计算机、通信、激光、半导体、超导和传感器。德国在1980～1985年期间电子工业总投资为51亿元马克，其中计算机为17亿元马克，传感器高达10亿元马克。总之，传感器技术的发展正处于方兴未艾的阶段。半导体压阻式传感器是以美国S．C．Smith在1954年发表的硅和锗的压阻效应及Herring等在1955年发表的能带多谷模型为基础发展的。在应用上它主要是60年代以后才发展起来，70年代中期大量应用。仅从专利来看，1971到1978年日本有关半导体敏感元件的发明就有3000余件。美国70年代中期Honewell公司生产了首批80000个汽车用压阻传感器，故障率极低，进入了实用阶段。目前小型半导体压阻压力传感器已成为美国大部分宇航公司的各种传感器中的主要品种。与一般传感器相比，半导体式传感器有许多优点：1．为物理型器件，主要效应发生在原子内部，变换作用在较低能量水平，因此制成的结构灵敏度高、检测范围广、响应较快、寿命及可靠性高。2．由于现代半导体工艺已进入超纯、超净、超精细时代，硅单晶不仅可以做到无位错、无缺陷，而且纯度可以控制到接近理论极限，掺杂控制精度达10－10；超净度可以达100级以下(即每平方尺只有几百甚至只有几个0．5μm大小的灰尘)水平；利用离子束刻蚀可以实现对原子一层一层地剥离的超精细工艺。在5mm的硅片上一次可制成2000个压力传感器芯片。使得在70年代末期硅传感器的售价从每个50美元下降到1～2美元。销量大增，增长最快的是汽车和医学上的应用。日本1982年传感器总产值达到1300亿日元，年增长率达40%以上。3．由于科学技术的发展，新材料不断出现。60年代，主要着眼点是硅单晶，而70年代后，Ⅲ－Ⅴ族，Ⅱ－Ⅵ族化合物半导体的出现和逐渐成熟，使得半导体传感器增加了光敏、磁敏、气敏、热敏、温敏等多功能，因此，半导体传感器的多品种化使它具有无穷的生命力。当然，半导体传感器也有缺点。主要是：同种材料，常常对多种输入量敏感。半导体硅单晶材料本身的温度系数比一般金属应变合金材料高3个数量级。从这个角度来看，一般的金属应变片的温度系数比较半导体压阻硅传感器件容易稳定。此外，半导体传感器一般输入、输出为非线性，性能参数散布大，互换性不好，导致成本增加。特别是，硅单晶材料本身只能在－150℃～170℃范围内工作，有一定制约等。近年来，对比国内外若干典型压阻压力传感器的基本性能，国内水平比国外还有较大差距，在超小型化方面差距更大。如外径小于1mm(0．76mm)的传感器，国外美库利特公司等已批量生产多年，而在这方面中国还处于研究阶段。在近代研究和生产方面，美国Kulite公司已经突破170℃使用范围，批量生产温度上限为273℃(－55℃～273℃)、温度补偿范围为25～235℃的半导体压阻传感器，甚至利用外延硅比原有硅具有更高的机械性能，采用二氧化硅绝缘层扩大温度范围，将温度上限提高到500℃。美国库雷克公司近年来又研制成功硅－蓝宝石压力传感器，除提高温度上限外，还可以降低常温时温度系数，即在高纯硅中掺入铍和碘，将室温下电阻率温度系数降到零。如果说，70年代是半导体传感器的成熟和发展时期，那么，半导体传感器的微型化、有源品种和智能化就是从80年代到90年代的研究和发展焦点。国外研制的医用压力传感器矩形膜片长为20μm，量程为300mmHg，线性＜1%，滞后＜0．3%，温度系数＜0．5%／℃(25～45℃)，长期稳定性达＜0．5%／月，频响0～10kHz，已达相当高的微型化水平。集成化与微型化是相辅相乘的，采用超大规模集成电路芯片，使整个电路完全集成在敏感元件基片上，将是进一步微型化的关键，国内外的科学工作者均朝着这个方向努力。在智能化方面，广大的传感器学者也都着重在有源化问题上，因为有源化的继续发展就是“智能化”，智能化以后不但进一步改善信号传递中大量中间电缆及接头，而且有逻辑操作功能，能够利用内插消除次要变量对输出的影响，给传感器和系统带来了变革性影响。除压力传感器外，半导体压阻式还可做成加速度计，半导体温度传感器，化学量传感器，微电极阵列，光传感器等。半导体加速度计传感器能用于低频及恒加速度场合，其抗冲振、零点性能及灵敏度均比压电式优越。国外最新水平已经能够在24密耳见方的硅片上制成数个尺寸精确的悬臂梁，并集成检测电路，输出灵敏度可达2μV／g，直接用于心脏的测量。半导体温度传感器是应用P－N结的温度特性进行温度测量，具有价格低、灵敏度高、线性好、可靠性好等优点。同时，它还可做成热敏可控硅传感器。这种器件控制精确、可靠性高，广泛应用于机器电器设备的温控和过热保护。近年来，美国斯坦福大学已经研制成用半导体微电极阵列做成超小型的模拟神经纤维的新式助听器，并且已批量生产。它的原理是将声音信号转变为电的刺激，将电子线路与人的听觉神经相连，传感器就起着传递电荷的作用。所以，这种新型传感器可用外科手术植入人体内部，10年以上不用取出。光传感器种类烦多，普遍应用的有硫化镉光敏电阻，光电二极、三极各类管子，较新的还有光位移传感器、彩色传感器、二维摄象器件和红外传感器等。特别是红外传感器，近代科学已经发展到无论是昼夜、云雾或烟尘均能识别图象、测定高低温度等等，近代的红外光传感单元件加二维机械扫描(第1代)、二维阵列加一维机械扫描(第二代)均已批量生产，国外已在研制用红外光传感混合型二维阵列加二维电子扫描构成现代遥感检测系统。总之，现代化技术不但少不了传感器，而且还需要我们加倍努力去开发至今仍属空白的新产品，提高现有产品的质量和功能，向微型化、集成化、有源品种和智能化进军，同时，还要从材料科学、传感器理论、各有关技术的基础理论等多方面去开拓，将传感器的发展建立在现代各种科学技术的坚实基础之上。只有这样，才能使传感器在现代信息技术、计量技术和自动化技术中真正发挥“画龙点睛”的作用。【参考文献】：1 Walter．The Journal of Enviromental Science，1971，22 大井光四郎，等，日本机械学会会志，1974，73 宋宗炎，半导体压阻式压力传感器资料汇编，航天部，1975，94 曹珍年，华南理工大学研究生学位论文，19845 卜四清，华南理工大学研究生学位论文，1986(广西师范大学曾庆科副教授撰；华南理工大学曾宪富教授审) |
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