半导体传感器的原理与应用现状分析

张玉洁，陈志华，张猛

（山东青年政治学院，山东济南 250103)

0 引言

随着信息技术的发展，传感器技术也获得了飞速进步，作为底层信息采集的终端，传感器对自然界中各类信号展示出强大的感知和捕捉能力，使得自动监测和控制成为现实。换而言之，没有传感器就没有实时测量，也没有自动控制，更没有智能系统。传感器的种类繁多，可按照工作原理、所用材料、待测对象、应用领域等进行分类。其中，按材料的物理化学性质可分为导体传感器、绝缘体传感器和半导体传感器。半导体传感器是其中应用最广泛的一种传感器，利用半导体的各种物理化学性质制成，被广泛应用于工业控制、各类环境监测、医疗康养和生物工程等领域中。

1 半导体传感器的制备和分类

半导体传感器的种类繁多，采用的敏感材料多数是硅、Ⅲ-Ⅴ族元素化合物，以及Ⅱ-Ⅵ族元素化合物。不论哪种传感器，敏感材料都是其中的关键环节，决定着传感器的线性度、灵敏度、稳定性等静态特性以及时间响应、频率响应等动态性能[1]。常用的敏感材料有以硅、硒以及它们的氧化物为代表的无机半导体材料，以氧化锌、氧化锆等为代表的金属氧化物半导体材料，和以PVC、高分子膜等为代表的有机半导体材料。其中，硅基材料（包含硅单晶、硅多晶和非晶硅）是目前应用最为广泛的半导体材料，以硅材料为例简要说明一下从材料制备成传感器的一般过程。首先，对硅基片进行光刻，以将掩膜版上的图形转移到基片上。光刻过程会依次经过预处理、甩胶、前烘、曝光、显影和后烘等环节，然后会在基片上形成光刻胶的掩膜图样。光刻过程也可用电子束曝光(EBL)的方式替代。具体应用中，一般会根据所需图形的精度、尺寸等客观情况进行选择。其次，对样品进行刻蚀。刻蚀的目的是将光刻图形转移到光刻胶下面的基片中。刻蚀可采用干法刻蚀或湿法刻蚀。干法刻蚀一般在专用仪器中进行，常用的有感应耦合等离子体刻蚀(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)等，通过电离腔体中气体，并使电离出的气体离子与待刻蚀基片材料发生碰撞、反应等物理化学过程，完成对基片的刻蚀。湿法腐蚀则需要在腐蚀溶液中完成，常用的硅腐蚀溶液有氢氟酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠等，它们通过与硅（基片材料）发生化学反应，达到刻蚀的目的。刻蚀过程中，未附着光刻胶的基底表面会被蚀刻，而附着有光刻胶的基底部分则会被保留下来。最后，对刻蚀后的基片进行去胶操作，以清除残留的光刻胶，就可以将图形成功转移到基片上，得到相应的微纳结构。利用这些微纳结构，再辅以电子线路铺设、装配等工序，就可以制成各类功能传感器。

半导体传感器已能够对压力、光照强度、角速度、气体分子浓度、温湿度、离子浓度等信息进行检测。半导体传感器的分类方式有很多，但按照待测信号的性质可分为物理敏感型、化学敏感型和生物敏感型三大类。物理敏感型半导体传感器是采用对力、热、光、磁等物理量敏感的半导体材料制成，传感器可以将这些物理信号转换成电信号。化学敏感型半导体传感器是由对气体、湿度、离子等敏感的半导体材料制成，利用敏感材料与气体、水、离子的化学效应，如催化、氧化、还原、光化学、离子交换反应等，可实现对相关气体浓度、湿度等的监测。生物敏感型半导体传感器普遍由生物分子材料制成，利用生物分子与某类特定物质的生物学效应，如酶的生化反应等，获得对化学反应消耗物或生成物的检测，可间接识别该类特定物质。严格来讲，生物敏感型半导体传感器也是一种化学敏感型半导体传感器。常用半导体传感器的分类及常见应用领域，如表1所示。

表1 常见半导体传感器分类及常见应用领域

2 半导体传感器的原理与应用

2.1 物理敏感型半导体传感器

2.1.1 半导体力敏传感器

半导体力敏传感器通常利用材料受力时产生的机械应力，实现对压力、加速度、流量等力学量的感知，其种类繁多，工作原理、特性参数等也不尽相同。常见的力敏传感器有应变式、压阻式、压电式等。这几类传感器主要是利用力作用于物体时物体产生的弹性应变，或压阻效应，或压电效应实现力学量观测。应变式通过测量元件受力后产生的弹性形变进行感知，具有尺寸小、响应速度快的优点，通常用于对飞机、导弹、机床等各种设备的机械量测量；压阻式通过观测半导体材料受力后的压阻效应进行感知，具有灵敏性高的优点，一般用于工业技术和航天技术等需要精准数据的领域；压电式通过测量受压后两极板产生的电荷引起的电学量变化获得感知，可实现对压力、加速度、位移、扭矩等量的统一观测。

目前，半导体力敏传感器已广泛应用于环境监测、医疗、指纹识别等领域。徐艳华等人介绍了压阻式半导体传感器在航天、医疗、煤矿作业中的应用，如用于大气压力监测、脉搏计数、矿井CO浓度监测等[2]；莫余丽等人在实验中用力敏传感器实现了对固体密度的测量[3]；倪永康等人介绍了一种基于力敏材料的柔性假肢手，并探讨了其在医疗健康、可穿戴设备等方面的潜在应用[4]。

2.1.2 半导体热敏传感器

半导体热敏元件主要用来制备温度传感器，它利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的物理性质进行工作。半导体热敏传感器包含半导体热敏电阻、热敏二极管、热敏晶体管，以及集成的温度传感器。热敏电阻半导体传感器由电阻值随温度变化强烈的热敏电阻构成，该类传感器具有线性度好的特点，常用作温度开关；热敏二极管传感器是利用PN结正向偏置电压与温度之间近似线性的关系实现温度测量（恒流），具有工艺简单的优点；热敏晶体管则利用基极—发射极电压与温度近似呈线性的特性来进行温度测量（集电极电流恒定）；集成温度传感器则是利用微电子技术将热敏电阻和处理电路集成在一起，具有体积小、测温准确、输出信号好的优点，因此应用相对广泛。常见的集成温度传感器有AD590 型、LM135型等。

早在20 世纪80 年代，王德甲等人就报道了利用热敏电阻半导体传感器实现对汽车冷却水水温和润滑油油温测量的案例[5]；周德俭等人应用LM 135型半导体温度传感器研制了大气温度显示器，用于测量飞行过程中的大气温度[6]；周福恩利用AD590 实现了对粮仓环境温度的检测[7]。目前，半导体热敏传感器已广泛应用于各类场景中，实现对环境和人体温度的测量。

2.1.3 半导体光敏传感器

半导体光敏传感器是一类利用半导体的光电效应进行感知的器件，按照光电效应的原理不同可分为内光电效应光敏传感器和外光电效应光敏传感器。应用外光电效应进行感知的传感器主要有光电管、光电倍增管、光电导管等；应用内光电效应进行感知的主要有光电二极管、光电晶体管、光电池等。光电二极管利用光生电流现象工作，具有响应速度快、体积小、可靠性高等优点，被广泛应用于自动控制和光学信号探测中；光电三极管利用集电极电流的放大效应，在进行光电转化的同时又能对电信号进行放大，常用于线性转换器件、开关元件等；光电池可以在无外部偏置电压情况下将光信号转换成电信号，因此常用于航天领域的电池组件和日常生活的方方面面。

对半导体光敏传感器的研究应用非常多，许多硕博士论文就以半导体光电传感器为研究对象进行传感器性能提升、工艺优化、新材料开发等方面研究[8]。半导体光敏传感不但可以将各类光学量转换成电信号，而且能够将一些自身可以转换成光学量的其他物理参量转换成电信号，因而应用广泛，在智能家居、工业自动化装置、气体成分分析等领域都具有重要的作用[9-10]。

2.1.4 半导体磁敏传感器

半导体磁敏传感器利用半导体材料的磁阻效应、霍尔效应等将磁学量转换成电学量以实现感知功能。常用磁敏传感器有磁阻元件、霍尔元件、磁敏二极管/三极管，以及集成的磁敏器件。这些器件大都是由硅、锗、砷化铟等磁敏半导体构成。磁阻元件和霍尔元件都是由于载流子在磁场中受到洛伦兹力引起的，其中霍尔元件结构简单、频响范围大、使用寿命长，被广泛应用于自动化和电子信息领域，作为位移、电流或加速度传感器而存在。磁敏二极管和三极管是利用管材料的磁阻效应进行磁电转换的一类器件，其中磁敏二极管具有灵敏度高、可识别磁场极性的特点，常用于自动监测和控制中。另外，还可将磁敏元件和放大电路、信号处理电路集成在一块芯片上，制作集成的磁敏传感器，以感知各类磁信息。

2000年前，对于磁敏传感器的研究多集中于磁敏电阻传感器、霍尔电阻上[11]，后来逐步开始研制磁敏集成电路、薄膜型磁敏传感器。如，2009 年郭清等人利用半导体的磁敏和光敏性质设计了新型传感器，可于位移传感和智能定位系统中[12]。半导体磁敏传感器具有体积小、响应速度快、灵敏度高等特征，被广泛应用于磁通测量和自动控制等领域中。

2.2 化学敏感型半导体传感器

2.2.1 半导体气敏传感

半导体气敏传感器能够感知气体种类与浓度信息，并将其转换成电信号。该类探测器按照工作原理分为电阻式和非电阻式。电阻式利用气体与表面相互作用时产生的阻值变化来测定气体浓度，以氧化锡、氧化锌等为代表。非电阻式气敏传感器则基于敏感材料对特定气体的吸附或者反应来对气体进行间接检测，以金属栅MOS场效应气敏元件为代表。一般待测气体不同，制备传感器的气敏材料也有所不同。

半导体气敏传感器主要用于环境监测中。马祥云等人报道了金属氧化物半导体气敏传感器用于甲醛快速检测的案例，为智能家居的实现提供了助力[13]；李泽森将气敏传感器应用于CO气体监测；王恩亮等人利用气敏传感器设计了汽车尾气检测系统[14]。此外，气敏传感器还可以用于氧气、二氧化碳气体、氢气、甲烷气体、燃气等的监测，对生产安全、家居安全、食品健康等有着很大的贡献。

2.2.2 半导体湿敏传感器

半导体湿敏传感器利用湿敏材料对水分子的吸附或者与水分子产生的物化效应实现对环境湿度的测量。半导体湿敏传感器有很多类，其中元素半导体型多由硅、锗等的多晶薄膜制成，环境湿度变化会引起薄膜电导变化，该类传感器一般具有较好的温度特性。全硅固态型又分为MOS型和结型，有着便于集成的优点，更容易实现智能化操作。

半导体湿敏传感器多用于环境湿度测量，在环保、电子、轻工业、自动化系统中有着广泛应用。王汝成等人研制了互换硅型湿敏传感器，用于环境湿度测量[15]；燕丽红等人利用集成的温湿度传感器搭建了智慧养老看护系统，为老人提供了宜居环境[16]。目前，半导体湿度传感器正向集成化、智能化、微机电体系化方向发展。

2.2.3 半导体离子敏传感器

半导体离子敏传感器是一种对特定离子敏感的元件，通过测定离子浓度感知信息，在化学、生物工程、食品等行业有着重要的应用。常见的离子敏传感器是基于场效应开发，具有灵敏度高、响应快、结构简单、干扰小等优点，并向着微型化方向发展，可用于生物体内信号的监测。

吴传健等人设计了一种基于氧化铟纳米带的离子敏场效应晶体管，可用于微量溶液的pH值检测，表现出良好的灵敏度[17]。崔大付利用氢离子敏场效应管研制了可用于pH值检测的固态传感器[18]；袁朝春等人应用离子敏传感器测定了土壤中钾、钙、氨态氮、硝态氮的含量，以及土壤的pH值等信息，为农业种植提供了有效的参考[19]；王春华等人系统地总结了集成的离子敏半导体传感器的研究进展[20]。可见，离子敏半导体传感器正向着多量感知、集成、智能、实用化方向进展。

2.3 生物敏感型半导体传感器

生物敏感型半导体传感器是以酶、抗体等作为敏感材料，利用这些材料与被测物质之间的相互作用，得出被测物质的种类和含量信息的一种传感器。该类器件所用传感一般为场效应管，通过将各类酶、抗体、抗原等生物分子制成功能膜贴伏并固定于场效应管上而形成，常用于测定生物体内葡萄糖、尿素、抗体、抗原水平等。

邵盛奇等人总结了生物敏感型传感器在葡萄糖监测、糖尿病诊断和预防中的作用机理[21]]。么亚男总结了生物传感器在食品安全检测中的应用现状[22]；朱子煜等总结了生物传感器在新冠病毒检测中的应用[23]。此外，还有结合生物传感和微机电系统技术(MEMS)研制的微传感器，可实现对微量、痕量生物分子的高精度感知。目前，生物敏感型传感器已广泛应用于动物防疫、精密仪器等领域。

3 总结与展望

20 世纪80 年代以来，半导体技术和制备工艺逐渐成熟，国内对半导体传感器的研究进入热潮。人们从器件作用机理研究、新型器件研制、器件性能提升、新应用领域开拓等各个方面展开了系统的研究，一系列的产品也相继问世，快速地应用于农林牧副渔各个领域，为我国各行各业的自动化奠定了基础。现代通信系统的构建和物联网技术的发展，更是将传感器的应用带到一个新高度。半导体传感器以半导体材料作为敏感元件，可应用成熟的半导体加工工艺进行批量生产，并且该类传感器具有响应速度快、体积小、灵敏度高的优点，并且便于集成，能够将检测、信号处理或者不同探测功能的器件集成在一片芯片上，逐渐成为构建各类智能系统不可或缺的存在。