半導體傳感器的原理與應用現狀分析

張玉潔，陳志華，張猛

（山東青年政治學院，山東濟南 250103)

0 引言

隨著信息技術的發展，傳感器技術也獲得了飛速進步，作為底層信息采集的終端，傳感器對自然界中各類信號展示出強大的感知和捕捉能力，使得自動監測和控制成為現實。換而言之，沒有傳感器就沒有實時測量，也沒有自動控制，更沒有智能系統。傳感器的種類繁多，可按照工作原理、所用材料、待測對象、應用領域等進行分類。其中，按材料的物理化學性質可分為導體傳感器、絕緣體傳感器和半導體傳感器。半導體傳感器是其中應用最廣泛的一種傳感器，利用半導體的各種物理化學性質制成，被廣泛應用于工業控制、各類環境監測、醫療康養和生物工程等領域中。

1 半導體傳感器的制備和分類

半導體傳感器的種類繁多，采用的敏感材料多數是硅、Ⅲ-Ⅴ族元素化合物，以及Ⅱ-Ⅵ族元素化合物。不論哪種傳感器，敏感材料都是其中的關鍵環節，決定著傳感器的線性度、靈敏度、穩定性等靜態特性以及時間響應、頻率響應等動態性能[1]。常用的敏感材料有以硅、硒以及它們的氧化物為代表的無機半導體材料，以氧化鋅、氧化鋯等為代表的金屬氧化物半導體材料，和以PVC、高分子膜等為代表的有機半導體材料。其中，硅基材料（包含硅單晶、硅多晶和非晶硅）是目前應用最為廣泛的半導體材料，以硅材料為例簡要說明一下從材料制備成傳感器的一般過程。首先，對硅基片進行光刻，以將掩膜版上的圖形轉移到基片上。光刻過程會依次經過預處理、甩膠、前烘、曝光、顯影和后烘等環節，然后會在基片上形成光刻膠的掩膜圖樣。光刻過程也可用電子束曝光(EBL)的方式替代。具體應用中，一般會根據所需圖形的精度、尺寸等客觀情況進行選擇。其次，對樣品進行刻蝕?？涛g的目的是將光刻圖形轉移到光刻膠下面的基片中。刻蝕可采用干法刻蝕或濕法刻蝕。干法刻蝕一般在專用儀器中進行，常用的有感應耦合等離子體刻蝕(ICP)、反應離子刻蝕(RIE)等，通過電離腔體中氣體，并使電離出的氣體離子與待刻蝕基片材料發生碰撞、反應等物理化學過程，完成對基片的刻蝕。濕法腐蝕則需要在腐蝕溶液中完成，常用的硅腐蝕溶液有氫氟酸、硝酸、氫氧化鉀、氫氧化鈉等，它們通過與硅（基片材料）發生化學反應，達到刻蝕的目的?？涛g過程中，未附著光刻膠的基底表面會被蝕刻，而附著有光刻膠的基底部分則會被保留下來。最后，對刻蝕后的基片進行去膠操作，以清除殘留的光刻膠，就可以將圖形成功轉移到基片上，得到相應的微納結構。利用這些微納結構，再輔以電子線路鋪設、裝配等工序，就可以制成各類功能傳感器。

半導體傳感器已能夠對壓力、光照強度、角速度、氣體分子濃度、溫濕度、離子濃度等信息進行檢測。半導體傳感器的分類方式有很多，但按照待測信號的性質可分為物理敏感型、化學敏感型和生物敏感型三大類。物理敏感型半導體傳感器是采用對力、熱、光、磁等物理量敏感的半導體材料制成，傳感器可以將這些物理信號轉換成電信號?；瘜W敏感型半導體傳感器是由對氣體、濕度、離子等敏感的半導體材料制成，利用敏感材料與氣體、水、離子的化學效應，如催化、氧化、還原、光化學、離子交換反應等，可實現對相關氣體濃度、濕度等的監測。生物敏感型半導體傳感器普遍由生物分子材料制成，利用生物分子與某類特定物質的生物學效應，如酶的生化反應等，獲得對化學反應消耗物或生成物的檢測，可間接識別該類特定物質。嚴格來講，生物敏感型半導體傳感器也是一種化學敏感型半導體傳感器。常用半導體傳感器的分類及常見應用領域，如表1所示。

表1 常見半導體傳感器分類及常見應用領域

2 半導體傳感器的原理與應用

2.1 物理敏感型半導體傳感器

2.1.1 半導體力敏傳感器

半導體力敏傳感器通常利用材料受力時產生的機械應力，實現對壓力、加速度、流量等力學量的感知，其種類繁多，工作原理、特性參數等也不盡相同。常見的力敏傳感器有應變式、壓阻式、壓電式等。這幾類傳感器主要是利用力作用于物體時物體產生的彈性應變，或壓阻效應，或壓電效應實現力學量觀測。應變式通過測量元件受力后產生的彈性形變進行感知，具有尺寸小、響應速度快的優點，通常用于對飛機、導彈、機床等各種設備的機械量測量；壓阻式通過觀測半導體材料受力后的壓阻效應進行感知，具有靈敏性高的優點，一般用于工業技術和航天技術等需要精準數據的領域；壓電式通過測量受壓后兩極板產生的電荷引起的電學量變化獲得感知，可實現對壓力、加速度、位移、扭矩等量的統一觀測。

目前，半導體力敏傳感器已廣泛應用于環境監測、醫療、指紋識別等領域。徐艷華等人介紹了壓阻式半導體傳感器在航天、醫療、煤礦作業中的應用，如用于大氣壓力監測、脈搏計數、礦井CO濃度監測等[2]；莫余麗等人在實驗中用力敏傳感器實現了對固體密度的測量[3]；倪永康等人介紹了一種基于力敏材料的柔性假肢手，并探討了其在醫療健康、可穿戴設備等方面的潛在應用[4]。

2.1.2 半導體熱敏傳感器

半導體熱敏元件主要用來制備溫度傳感器，它利用半導體材料的電阻率隨溫度變化而變化的物理性質進行工作。半導體熱敏傳感器包含半導體熱敏電阻、熱敏二極管、熱敏晶體管，以及集成的溫度傳感器。熱敏電阻半導體傳感器由電阻值隨溫度變化強烈的熱敏電阻構成，該類傳感器具有線性度好的特點，常用作溫度開關；熱敏二極管傳感器是利用PN結正向偏置電壓與溫度之間近似線性的關系實現溫度測量（恒流），具有工藝簡單的優點；熱敏晶體管則利用基極—發射極電壓與溫度近似呈線性的特性來進行溫度測量（集電極電流恒定）；集成溫度傳感器則是利用微電子技術將熱敏電阻和處理電路集成在一起，具有體積小、測溫準確、輸出信號好的優點，因此應用相對廣泛。常見的集成溫度傳感器有AD590 型、LM135型等。

早在20 世紀80 年代，王德甲等人就報道了利用熱敏電阻半導體傳感器實現對汽車冷卻水水溫和潤滑油油溫測量的案例[5]；周德儉等人應用LM 135型半導體溫度傳感器研制了大氣溫度顯示器，用于測量飛行過程中的大氣溫度[6]；周福恩利用AD590 實現了對糧倉環境溫度的檢測[7]。目前，半導體熱敏傳感器已廣泛應用于各類場景中，實現對環境和人體溫度的測量。

2.1.3 半導體光敏傳感器

半導體光敏傳感器是一類利用半導體的光電效應進行感知的器件，按照光電效應的原理不同可分為內光電效應光敏傳感器和外光電效應光敏傳感器。應用外光電效應進行感知的傳感器主要有光電管、光電倍增管、光電導管等；應用內光電效應進行感知的主要有光電二極管、光電晶體管、光電池等。光電二極管利用光生電流現象工作，具有響應速度快、體積小、可靠性高等優點，被廣泛應用于自動控制和光學信號探測中；光電三極管利用集電極電流的放大效應，在進行光電轉化的同時又能對電信號進行放大，常用于線性轉換器件、開關元件等；光電池可以在無外部偏置電壓情況下將光信號轉換成電信號，因此常用于航天領域的電池組件和日常生活的方方面面。

對半導體光敏傳感器的研究應用非常多，許多碩博士論文就以半導體光電傳感器為研究對象進行傳感器性能提升、工藝優化、新材料開發等方面研究[8]。半導體光敏傳感不但可以將各類光學量轉換成電信號，而且能夠將一些自身可以轉換成光學量的其他物理參量轉換成電信號，因而應用廣泛，在智能家居、工業自動化裝置、氣體成分分析等領域都具有重要的作用[9-10]。

2.1.4 半導體磁敏傳感器

半導體磁敏傳感器利用半導體材料的磁阻效應、霍爾效應等將磁學量轉換成電學量以實現感知功能。常用磁敏傳感器有磁阻元件、霍爾元件、磁敏二極管/三極管，以及集成的磁敏器件。這些器件大都是由硅、鍺、砷化銦等磁敏半導體構成。磁阻元件和霍爾元件都是由于載流子在磁場中受到洛倫茲力引起的，其中霍爾元件結構簡單、頻響范圍大、使用壽命長，被廣泛應用于自動化和電子信息領域，作為位移、電流或加速度傳感器而存在。磁敏二極管和三極管是利用管材料的磁阻效應進行磁電轉換的一類器件，其中磁敏二極管具有靈敏度高、可識別磁場極性的特點，常用于自動監測和控制中。另外，還可將磁敏元件和放大電路、信號處理電路集成在一塊芯片上，制作集成的磁敏傳感器，以感知各類磁信息。

2000年前，對于磁敏傳感器的研究多集中于磁敏電阻傳感器、霍爾電阻上[11]，后來逐步開始研制磁敏集成電路、薄膜型磁敏傳感器。如，2009 年郭清等人利用半導體的磁敏和光敏性質設計了新型傳感器，可于位移傳感和智能定位系統中[12]。半導體磁敏傳感器具有體積小、響應速度快、靈敏度高等特征，被廣泛應用于磁通測量和自動控制等領域中。

2.2 化學敏感型半導體傳感器

2.2.1 半導體氣敏傳感

半導體氣敏傳感器能夠感知氣體種類與濃度信息，并將其轉換成電信號。該類探測器按照工作原理分為電阻式和非電阻式。電阻式利用氣體與表面相互作用時產生的阻值變化來測定氣體濃度，以氧化錫、氧化鋅等為代表。非電阻式氣敏傳感器則基于敏感材料對特定氣體的吸附或者反應來對氣體進行間接檢測，以金屬柵MOS場效應氣敏元件為代表。一般待測氣體不同，制備傳感器的氣敏材料也有所不同。

半導體氣敏傳感器主要用于環境監測中。馬祥云等人報道了金屬氧化物半導體氣敏傳感器用于甲醛快速檢測的案例，為智能家居的實現提供了助力[13]；李澤森將氣敏傳感器應用于CO氣體監測；王恩亮等人利用氣敏傳感器設計了汽車尾氣檢測系統[14]。此外，氣敏傳感器還可以用于氧氣、二氧化碳氣體、氫氣、甲烷氣體、燃氣等的監測，對生產安全、家居安全、食品健康等有著很大的貢獻。

2.2.2 半導體濕敏傳感器

半導體濕敏傳感器利用濕敏材料對水分子的吸附或者與水分子產生的物化效應實現對環境濕度的測量。半導體濕敏傳感器有很多類，其中元素半導體型多由硅、鍺等的多晶薄膜制成，環境濕度變化會引起薄膜電導變化，該類傳感器一般具有較好的溫度特性。全硅固態型又分為MOS型和結型，有著便于集成的優點，更容易實現智能化操作。

半導體濕敏傳感器多用于環境濕度測量，在環保、電子、輕工業、自動化系統中有著廣泛應用。王汝成等人研制了互換硅型濕敏傳感器，用于環境濕度測量[15]；燕麗紅等人利用集成的溫濕度傳感器搭建了智慧養老看護系統，為老人提供了宜居環境[16]。目前，半導體濕度傳感器正向集成化、智能化、微機電體系化方向發展。

2.2.3 半導體離子敏傳感器

半導體離子敏傳感器是一種對特定離子敏感的元件，通過測定離子濃度感知信息，在化學、生物工程、食品等行業有著重要的應用。常見的離子敏傳感器是基于場效應開發，具有靈敏度高、響應快、結構簡單、干擾小等優點，并向著微型化方向發展，可用于生物體內信號的監測。

吳傳健等人設計了一種基于氧化銦納米帶的離子敏場效應晶體管，可用于微量溶液的pH值檢測，表現出良好的靈敏度[17]。崔大付利用氫離子敏場效應管研制了可用于pH值檢測的固態傳感器[18]；袁朝春等人應用離子敏傳感器測定了土壤中鉀、鈣、氨態氮、硝態氮的含量，以及土壤的pH值等信息，為農業種植提供了有效的參考[19]；王春華等人系統地總結了集成的離子敏半導體傳感器的研究進展[20]?？梢姡x子敏半導體傳感器正向著多量感知、集成、智能、實用化方向進展。

2.3 生物敏感型半導體傳感器

生物敏感型半導體傳感器是以酶、抗體等作為敏感材料，利用這些材料與被測物質之間的相互作用，得出被測物質的種類和含量信息的一種傳感器。該類器件所用傳感一般為場效應管，通過將各類酶、抗體、抗原等生物分子制成功能膜貼伏并固定于場效應管上而形成，常用于測定生物體內葡萄糖、尿素、抗體、抗原水平等。

邵盛奇等人總結了生物敏感型傳感器在葡萄糖監測、糖尿病診斷和預防中的作用機理[21]]。么亞男總結了生物傳感器在食品安全檢測中的應用現狀[22]；朱子煜等總結了生物傳感器在新冠病毒檢測中的應用[23]。此外，還有結合生物傳感和微機電系統技術(MEMS)研制的微傳感器，可實現對微量、痕量生物分子的高精度感知。目前，生物敏感型傳感器已廣泛應用于動物防疫、精密儀器等領域。

3 總結與展望

20 世紀80 年代以來，半導體技術和制備工藝逐漸成熟，國內對半導體傳感器的研究進入熱潮。人們從器件作用機理研究、新型器件研制、器件性能提升、新應用領域開拓等各個方面展開了系統的研究，一系列的產品也相繼問世，快速地應用于農林牧副漁各個領域，為我國各行各業的自動化奠定了基礎?，F代通信系統的構建和物聯網技術的發展，更是將傳感器的應用帶到一個新高度。半導體傳感器以半導體材料作為敏感元件，可應用成熟的半導體加工工藝進行批量生產，并且該類傳感器具有響應速度快、體積小、靈敏度高的優點，并且便于集成，能夠將檢測、信號處理或者不同探測功能的器件集成在一片芯片上，逐漸成為構建各類智能系統不可或缺的存在。