Cảm biến bán dẫn là gì? Nguyên lý hoạt động, phân loại và ứng dụng

Cảm biến bán dẫn – thiết bị chuyển đổi các tín hiệu vật lý, hóa học hay sinh học thành tín hiệu điện – đang ngày càng trở nên quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Từ những ứng dụng đơn giản như đo nhiệt độ, độ ẩm, đến những ứng dụng phức tạp như điều khiển tự động và giám sát môi trường,… Bài viết này sẽ giúp bạn tìm hiểu về cảm biến bán dẫn, từ nguyên lý hoạt động đến các ứng dụng trong đời sống. Cùng theo dõi nhé!

1. Cảm biến bán dẫn là gì?

Cảm biến bán dẫn là loại cảm biến sử dụng vật liệu bán dẫn (như silic, germani,…) để phát hiện và đo lường các đại lượng vật lý, hóa học hoặc sinh học xung quanh. Khi có sự thay đổi về nhiệt độ, ánh sáng, áp suất, từ trường, nồng độ chất khí, hay các yếu tố khác, tính chất điện của vật liệu bán dẫn sẽ thay đổi. Cảm biến sẽ ghi nhận sự thay đổi này và chuyển đổi thành tín hiệu điện (điện áp, dòng điện,…) để các thiết bị khác có thể đọc và xử lý.

Cảm biến bán dẫn có kích thước nhỏ gọn, độ nhạy cao, tiêu thụ ít điện năng và giá thành tương đối thấp. Chúng cũng dễ dàng tích hợp vào các thiết bị điện tử.  Hiện nay, cảm biến bán dẫn được sử dụng trong điện thoại thông minh, ô tô, thiết bị y tế, hệ thống tự động hóa công nghiệp và nhiều lĩnh vực khác.

2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến bán dẫn

Cảm biến bán dẫn hoạt động dựa trên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu bán dẫn khi có tác động từ môi trường bên ngoài. Cơ chế chung bạn có thể hiểu khi có yếu tố tác động (nhiệt độ, ánh sáng, áp suất,…), các tính chất điện của vật liệu bán dẫn sẽ thay đổi. Những thay đổi này có thể là:

• Thay đổi điện trở: Điện trở suất của vật liệu thay đổi.
• Thay đổi điện áp: Xuất hiện điện áp (như hiệu ứng Hall) hoặc thay đổi điện áp phân cực trên lớp tiếp giáp p-n.
• Thay đổi dòng điện: Dòng điện chạy qua vật liệu thay đổi.
• Thay đổi điện dung: Điện dung của cấu trúc bán dẫn thay đổi.

Cảm biến sẽ ghi nhận sự thay đổi này và chuyển thành tín hiệu điện tương ứng. Vật liệu bán dẫn phổ biến nhất là Silic (Si) được chọn vì có sẵn trong tự nhiên (cát), dễ gia công, có các tính chất điện phù hợp cho nhiều loại cảm biến và chi phí thấp. Ngoài ra, các vật liệu nhóm III-V (như GaAs, InP) cũng được sử dụng cho các ứng dụng đặc biệt như cảm biến quang học hoặc cảm biến tần số cao.

Vật liệu bán dẫn có cấu trúc tinh thể. Trong vật liệu bán dẫn, có một khoảng năng lượng mà electron không thể tồn tại, gọi là vùng cấm. Năng lượng vùng cấm ảnh hưởng đến độ nhạy của cảm biến. Để thay đổi tính chất điện, người ta thêm vào một lượng nhỏ tạp chất (quá trình “doping”). Tạp chất loại n (n-type) tạo ra các electron tự do. Tạp chất loại p (p-type) thì tạo ra “lỗ trống” (như các hạt mang điện dương). Cả hai loại tạp chất đều làm tăng độ dẫn điện.

Nền tảng của nhiều cảm biến bán dẫn là tiếp giáp p-n (ghép một lớp bán dẫn loại p với một lớp bán dẫn loại n) và tụ điện MOS (gồm lớp kim loại – lớp oxit cách điện – lớp bán dẫn).

Cảm biến bán dẫn thường được chế tạo bằng kỹ thuật surface micromachining (tạo cấu trúc cảm biến trên bề mặt tấm nền silic) hoặc bulk micromachining (loại bỏ vật liệu từ bên trong tấm nền). Các bước chính bao gồm: deposition (lắng đọng các lớp vật liệu mỏng), lithography (tạo hình mẫu bằng ánh sáng) và etching (ăn mòn vật liệu không cần thiết).

Ví dụ cảm biến nhiệt độ (dựa trên diode), điện áp trên lớp tiếp giáp p-n (điện áp base-emitter) thay đổi theo nhiệt độ. Mạch điện tử đo sự thay đổi điện áp này và chuyển thành giá trị nhiệt độ.

3. Các loại cảm biến bán dẫn phổ biến

Có rất nhiều loại cảm biến bán dẫn, mỗi loại được thiết kế để phát hiện và đo lường một đại lượng cụ thể. Dưới đây là một số loại phổ biến:

3.1. Cảm biến nhiệt độ bán dẫn

• Nguyên lý: Cảm biến nhiệt độ bán dẫn hoạt động dựa trên sự thay đổi điện trở hoặc điện áp của vật liệu bán dẫn theo nhiệt độ.
• Ví dụ: Diode cảm biến nhiệt, transistor cảm biến nhiệt, IC cảm biến nhiệt (LM35, DS18B20,…).
• Ứng dụng: Đo nhiệt độ môi trường, nhiệt độ cơ thể, nhiệt độ trong các thiết bị điện tử,…

3.2. Cảm biến ánh sáng bán dẫn

• Nguyên lý: Dựa trên hiệu ứng quang điện – khi ánh sáng chiếu vào vật liệu bán dẫn, các electron sẽ hấp thụ năng lượng và chuyển động, tạo ra dòng điện.
• Ví dụ: Quang trở (LDR), photodiode, phototransistor, pin mặt trời.
• Ứng dụng: Điều khiển đèn tự động, cảm biến trong máy ảnh, hệ thống an ninh,…

3.3. Cảm biến áp suất bán dẫn

• Nguyên lý: Dựa trên hiệu ứng áp điện – khi có lực tác động lên vật liệu bán dẫn, điện trở hoặc điện áp sẽ thay đổi.
• Ví dụ: Cảm biến áp suất màng, cảm biến áp suất dựa trên tụ điện MOS.
• Ứng dụng: Đo áp suất lốp xe, áp suất trong đường ống, áp suất trong các thiết bị y tế,…

3.4. Cảm biến từ trường bán dẫn

• Nguyên lý: Dựa trên hiệu ứng Hall – khi có từ trường tác động lên vật liệu bán dẫn, sẽ xuất hiện một điện áp (gọi là điện áp Hall).
• Ví dụ: Cảm biến Hall.
• Ứng dụng: Đo từ trường, phát hiện vị trí, đo tốc độ quay,…

3.5. Cảm biến khí bán dẫn

• Nguyên lý: Dựa trên sự thay đổi độ dẫn điện của vật liệu bán dẫn khi tiếp xúc với các loại khí khác nhau.
• Ví dụ: Cảm biến khí CO, cảm biến khí gas, cảm biến khí độc,…
• Ứng dụng: Phát hiện rò rỉ khí gas, kiểm soát chất lượng không khí,…

3.6. Cảm biến gia tốc bán dẫn

• Nguyên lý: Gia tốc làm thay đổi các thông số như điện dung
• Ví dụ: Cảm biến gia tốc
• Ứng dụng: Điện thoại, máy tính bảng, ô tô,…

3.7. Cảm biến sinh học bán dẫn

• Nguyên lý: Dựa trên sự tương tác giữa các phân tử sinh học (enzyme, kháng thể, DNA,…) với vật liệu bán dẫn, làm thay đổi tính chất điện của vật liệu.
• Ví dụ: Cảm biến glucose, cảm biến DNA,…
• Ứng dụng: Y tế (đo đường huyết, xét nghiệm), kiểm tra chất lượng thực phẩm,…

4. Ưu và nhược điểm của cảm biến bán dẫn

Cảm biến bán dẫn có nhiều ưu điểm, nhưng cũng có một số hạn chế nhất định:

4.1. Ưu điểm của cảm biến bán dẫn

• Kích thước nhỏ gọn: Cảm biến bán dẫn thường có kích thước rất nhỏ, có thể tích hợp vào các vi mạch (IC), tạo ra các thiết bị nhỏ gọn và tiện lợi.
• Độ nhạy cao: Cảm biến bán dẫn có thể phát hiện những thay đổi rất nhỏ của đại lượng cần đo, cho phép đo lường chính xác.
• Tiêu thụ điện năng thấp: Cảm biến bán dẫn thường tiêu thụ rất ít điện năng, phù hợp cho các thiết bị di động, thiết bị đeo được và các ứng dụng tiết kiệm năng lượng.
• Giá thành thấp: Nhờ công nghệ sản xuất hàng loạt, cảm biến bán dẫn có giá thành tương đối thấp, đặc biệt là các loại cảm biến phổ biến.
• Dễ tích hợp: Cảm biến bán dẫn dễ dàng tích hợp với các mạch điện tử khác, tạo thành các hệ thống phức tạp.
• Chống nhiễu tốt: Cảm biến bán dẫn ít bị ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ so với một số loại cảm biến khác.
• Mạch xử lý đơn giản: Tín hiệu đầu ra từ cảm biến bán dẫn thường dễ xử lý, không cần các mạch điện phức tạp.
• Độ bền: Với một số cảm biến có độ bền khá tốt.

4.2. Nhược điểm của cảm biến bán dẫn

• Dải đo hạn chế: So với một số loại cảm biến khác (ví dụ: cảm biến cơ học), cảm biến bán dẫn thường có dải đo hẹp hơn.
• Độ chính xác không cao (trong một số trường hợp): Độ chính xác của cảm biến bán dẫn có thể không cao bằng một số loại cảm biến chuyên dụng (ví dụ: cảm biến quang học chính xác cao).
• Ảnh hưởng bởi nhiệt độ: Tính chất của vật liệu bán dẫn thay đổi theo nhiệt độ, có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của cảm biến. Cần có biện pháp bù nhiệt độ trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.
• Độ bền: Một số loại cảm biến bán dẫn có thể kém bền trong môi trường khắc nghiệt (nhiệt độ quá cao, hóa chất,…).

5. Ứng dụng của cảm biến bán dẫn

Cảm biến bán dẫn được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực của đời sống và sản xuất, nhờ những ưu điểm vượt trội của chúng.

5.1. Điện tử tiêu dùng

• Điện thoại thông minh: Cảm biến gia tốc (xoay màn hình), cảm biến tiệm cận (tắt màn hình khi nghe điện thoại), cảm biến ánh sáng (điều chỉnh độ sáng màn hình), cảm biến vân tay, cảm biến từ trường (la bàn số),…
• Máy tính bảng, laptop: Cảm biến ánh sáng, cảm biến gia tốc,…
• Thiết bị đeo thông minh (smartwatch, smartband): Cảm biến nhịp tim, cảm biến gia tốc (đếm bước chân), cảm biến nhiệt độ,…
• Máy ảnh: Cảm biến ánh sáng (đo sáng), cảm biến hình ảnh (CCD, CMOS).

5.2. Công nghiệp

• Tự động hóa: Cảm biến vị trí, cảm biến áp suất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến lưu lượng,… được sử dụng để giám sát và điều khiển các quy trình sản xuất.
• Robot: Cảm biến lực, cảm biến tiệm cận, cảm biến thị giác,… giúp robot tương tác với môi trường xung quanh.
• Máy móc công nghiệp: Cảm biến rung, cảm biến nhiệt độ,… giúp giám sát tình trạng hoạt động của máy móc.

5.3. Ô tô

• Hệ thống an toàn: Cảm biến áp suất lốp, cảm biến va chạm (túi khí), cảm biến ABS (chống bó cứng phanh), cảm biến ESP (cân bằng điện tử),…
• Hệ thống điều khiển động cơ: Cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến vị trí,…
• Hệ thống hỗ trợ lái xe: Cảm biến khoảng cách (đỗ xe), cảm biến làn đường,…

5.4. Y tế

• Thiết bị chẩn đoán: Cảm biến sinh học (đo đường huyết, đo nồng độ oxy trong máu,…), cảm biến hình ảnh (X-quang, MRI).
• Thiết bị theo dõi sức khỏe: Cảm biến nhịp tim, cảm biến huyết áp, cảm biến nhiệt độ cơ thể.

5.5. Môi trường

• Giám sát chất lượng không khí: Cảm biến khí CO, CO2, NOx, SO2,…
• Giám sát chất lượng nước: Cảm biến pH, cảm biến độ đục, cảm biến oxy hòa tan,…

5.6. Nông nghiệp

Trong nông nghiệp, cảm biến bán dẫn được ứng dụng trong thiết bị cảm biến độ ẩm đất, cảm biến nhiệt độ, cảm biến ánh sáng,… giúp tối ưu hóa điều kiện trồng trọt.

5.7. Các lĩnh vực khác

• Hệ thống dẫn đường (navigation systems): Cảm biến gia tốc, con quay hồi chuyển.
• Thiết bị quang học: Cảm biến ánh sáng.
• Kính thiên văn, vệ tinh: Cảm biến hình ảnh, cảm biến bức xạ.
• Máy dò tia X: Cảm biến bức xạ.

Xem thêm:

• Cảm biến chuyển động là gì? Nguyên lý hoạt động và cách lắp đặt
• Cảm biến nhiệt độ bán dẫn là gì? Ưu, nhược điểm và ứng dụng
• Cảm biến áp suất : Giới thiệu và nguyên lý hoạt động

Cảm biến bán dẫn đóng vai trò vô cùng quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Từ những thiết bị điện tử quen thuộc như điện thoại, máy tính, đến các hệ thống phức tạp trong công nghiệp, y tế, ô tô,… cảm biến bán dẫn đều góp phần làm cho mọi thứ trở nên thông minh, tiện lợi và an toàn hơn. Mong bài viết sẽ giúp ích cho bạn, hẹn gặp lại bạn trong những chủ đề tiếp theo trên trang Thanh Thiên Phú.