半導(dǎo)體傳感器的原理與應(yīng)用現(xiàn)狀分析

張玉潔，陳志華，張猛

（山東青年政治學(xué)院，山東濟(jì)南 250103)

0 引言

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器技術(shù)也獲得了飛速進(jìn)步，作為底層信息采集的終端，傳感器對(duì)自然界中各類(lèi)信號(hào)展示出強(qiáng)大的感知和捕捉能力，使得自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制成為現(xiàn)實(shí)。換而言之，沒(méi)有傳感器就沒(méi)有實(shí)時(shí)測(cè)量，也沒(méi)有自動(dòng)控制，更沒(méi)有智能系統(tǒng)。傳感器的種類(lèi)繁多，可按照工作原理、所用材料、待測(cè)對(duì)象、應(yīng)用領(lǐng)域等進(jìn)行分類(lèi)。其中，按材料的物理化學(xué)性質(zhì)可分為導(dǎo)體傳感器、絕緣體傳感器和半導(dǎo)體傳感器。半導(dǎo)體傳感器是其中應(yīng)用最廣泛的一種傳感器，利用半導(dǎo)體的各種物理化學(xué)性質(zhì)制成，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、各類(lèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療康養(yǎng)和生物工程等領(lǐng)域中。

1 半導(dǎo)體傳感器的制備和分類(lèi)

半導(dǎo)體傳感器的種類(lèi)繁多，采用的敏感材料多數(shù)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(guān)鍵環(huán)節(jié)，決定著傳感器的線(xiàn)性度、靈敏度、穩(wěn)定性等靜態(tài)特性以及時(shí)間響應(yīng)、頻率響應(yīng)等動(dòng)態(tài)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(wú)機(jī)半導(dǎo)體材料，以氧化鋅、氧化鋯等為代表的金屬氧化物半導(dǎo)體材料，和以PVC、高分子膜等為代表的有機(jī)半導(dǎo)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(yīng)用最為廣泛的半導(dǎo)體材料，以硅材料為例簡(jiǎn)要說(shuō)明一下從材料制備成傳感器的一般過(guò)程。首先，對(duì)硅基片進(jìn)行光刻，以將掩膜版上的圖形轉(zhuǎn)移到基片上。光刻過(guò)程會(huì)依次經(jīng)過(guò)預(yù)處理、甩膠、前烘、曝光、顯影和后烘等環(huán)節(jié)，然后會(huì)在基片上形成光刻膠的掩膜圖樣。光刻過(guò)程也可用電子束曝光(EBL)的方式替代。具體應(yīng)用中，一般會(huì)根據(jù)所需圖形的精度、尺寸等客觀(guān)情況進(jìn)行選擇。其次，對(duì)樣品進(jìn)行刻蝕。刻蝕的目的是將光刻圖形轉(zhuǎn)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(zhuān)用儀器中進(jìn)行，常用的有感應(yīng)耦合等離子體刻蝕(ICP)、反應(yīng)離子刻蝕(RIE)等，通過(guò)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(fā)生碰撞、反應(yīng)等物理化學(xué)過(guò)程，完成對(duì)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(guò)與硅（基片材料）發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到刻蝕的目的?？涛g過(guò)程中，未附著光刻膠的基底表面會(huì)被蝕刻，而附著有光刻膠的基底部分則會(huì)被保留下來(lái)。最后，對(duì)刻蝕后的基片進(jìn)行去膠操作，以清除殘留的光刻膠，就可以將圖形成功轉(zhuǎn)移到基片上，得到相應(yīng)的微納結(jié)構(gòu)。利用這些微納結(jié)構(gòu)，再輔以電子線(xiàn)路鋪設(shè)、裝配等工序，就可以制成各類(lèi)功能傳感器。

半導(dǎo)體傳感器已能夠?qū)毫?、光照?qiáng)度、角速度、氣體分子濃度、溫濕度、離子濃度等信息進(jìn)行檢測(cè)。半導(dǎo)體傳感器的分類(lèi)方式有很多，但按照待測(cè)信號(hào)的性質(zhì)可分為物理敏感型、化學(xué)敏感型和生物敏感型三大類(lèi)。物理敏感型半導(dǎo)體傳感器是采用對(duì)力、熱、光、磁等物理量敏感的半導(dǎo)體材料制成，傳感器可以將這些物理信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)?；瘜W(xué)敏感型半導(dǎo)體傳感器是由對(duì)氣體、濕度、離子等敏感的半導(dǎo)體材料制成，利用敏感材料與氣體、水、離子的化學(xué)效應(yīng)，如催化、氧化、還原、光化學(xué)、離子交換反應(yīng)等，可實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)氣體濃度、濕度等的監(jiān)測(cè)。生物敏感型半導(dǎo)體傳感器普遍由生物分子材料制成，利用生物分子與某類(lèi)特定物質(zhì)的生物學(xué)效應(yīng)，如酶的生化反應(yīng)等，獲得對(duì)化學(xué)反應(yīng)消耗物或生成物的檢測(cè)，可間接識(shí)別該類(lèi)特定物質(zhì)。嚴(yán)格來(lái)講，生物敏感型半導(dǎo)體傳感器也是一種化學(xué)敏感型半導(dǎo)體傳感器。常用半導(dǎo)體傳感器的分類(lèi)及常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域，如表1所示。

表1 常見(jiàn)半導(dǎo)體傳感器分類(lèi)及常見(jiàn)應(yīng)用領(lǐng)域

2 半導(dǎo)體傳感器的原理與應(yīng)用

2.1 物理敏感型半導(dǎo)體傳感器

2.1.1 半導(dǎo)體力敏傳感器

半導(dǎo)體力敏傳感器通常利用材料受力時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械應(yīng)力，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、加速度、流量等力學(xué)量的感知，其種類(lèi)繁多，工作原理、特性參數(shù)等也不盡相同。常見(jiàn)的力敏傳感器有應(yīng)變式、壓阻式、壓電式等。這幾類(lèi)傳感器主要是利用力作用于物體時(shí)物體產(chǎn)生的彈性應(yīng)變，或壓阻效應(yīng)，或壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)力學(xué)量觀(guān)測(cè)。應(yīng)變式通過(guò)測(cè)量元件受力后產(chǎn)生的彈性形變進(jìn)行感知，具有尺寸小、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，通常用于對(duì)飛機(jī)、導(dǎo)彈、機(jī)床等各種設(shè)備的機(jī)械量測(cè)量；壓阻式通過(guò)觀(guān)測(cè)半導(dǎo)體材料受力后的壓阻效應(yīng)進(jìn)行感知，具有靈敏性高的優(yōu)點(diǎn)，一般用于工業(yè)技術(shù)和航天技術(shù)等需要精準(zhǔn)數(shù)據(jù)的領(lǐng)域；壓電式通過(guò)測(cè)量受壓后兩極板產(chǎn)生的電荷引起的電學(xué)量變化獲得感知，可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、加速度、位移、扭矩等量的統(tǒng)一觀(guān)測(cè)。

目前，半導(dǎo)體力敏傳感器已廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)療、指紋識(shí)別等領(lǐng)域。徐艷華等人介紹了壓阻式半導(dǎo)體傳感器在航天、醫(yī)療、煤礦作業(yè)中的應(yīng)用，如用于大氣壓力監(jiān)測(cè)、脈搏計(jì)數(shù)、礦井CO濃度監(jiān)測(cè)等[2]；莫余麗等人在實(shí)驗(yàn)中用力敏傳感器實(shí)現(xiàn)了對(duì)固體密度的測(cè)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(yī)療健康、可穿戴設(shè)備等方面的潛在應(yīng)用[4]。

2.1.2 半導(dǎo)體熱敏傳感器

半導(dǎo)體熱敏元件主要用來(lái)制備溫度傳感器，它利用半導(dǎo)體材料的電阻率隨溫度變化而變化的物理性質(zhì)進(jìn)行工作。半導(dǎo)體熱敏傳感器包含半導(dǎo)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(dǎo)體傳感器由電阻值隨溫度變化強(qiáng)烈的熱敏電阻構(gòu)成，該類(lèi)傳感器具有線(xiàn)性度好的特點(diǎn)，常用作溫度開(kāi)關(guān)；熱敏二極管傳感器是利用PN結(jié)正向偏置電壓與溫度之間近似線(xiàn)性的關(guān)系實(shí)現(xiàn)溫度測(cè)量（恒流），具有工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)；熱敏晶體管則利用基極—發(fā)射極電壓與溫度近似呈線(xiàn)性的特性來(lái)進(jìn)行溫度測(cè)量（集電極電流恒定）；集成溫度傳感器則是利用微電子技術(shù)將熱敏電阻和處理電路集成在一起，具有體積小、測(cè)溫準(zhǔn)確、輸出信號(hào)好的優(yōu)點(diǎn)，因此應(yīng)用相對(duì)廣泛。常見(jiàn)的集成溫度傳感器有AD590 型、LM135型等。

早在20 世紀(jì)80 年代，王德甲等人就報(bào)道了利用熱敏電阻半導(dǎo)體傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)?yán)鋮s水水溫和潤(rùn)滑油油溫測(cè)量的案例[5]；周德儉等人應(yīng)用LM 135型半導(dǎo)體溫度傳感器研制了大氣溫度顯示器，用于測(cè)量飛行過(guò)程中的大氣溫度[6]；周福恩利用AD590 實(shí)現(xiàn)了對(duì)糧倉(cāng)環(huán)境溫度的檢測(cè)[7]。目前，半導(dǎo)體熱敏傳感器已廣泛應(yīng)用于各類(lèi)場(chǎng)景中，實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境和人體溫度的測(cè)量。

2.1.3 半導(dǎo)體光敏傳感器

半導(dǎo)體光敏傳感器是一類(lèi)利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)進(jìn)行感知的器件，按照光電效應(yīng)的原理不同可分為內(nèi)光電效應(yīng)光敏傳感器和外光電效應(yīng)光敏傳感器。應(yīng)用外光電效應(yīng)進(jìn)行感知的傳感器主要有光電管、光電倍增管、光電導(dǎo)管等；應(yīng)用內(nèi)光電效應(yīng)進(jìn)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(xiàn)象工作，具有響應(yīng)速度快、體積小、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和光學(xué)信號(hào)探測(cè)中；光電三極管利用集電極電流的放大效應(yīng)，在進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化的同時(shí)又能對(duì)電信號(hào)進(jìn)行放大，常用于線(xiàn)性轉(zhuǎn)換器件、開(kāi)關(guān)元件等；光電池可以在無(wú)外部偏置電壓情況下將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，因此常用于航天領(lǐng)域的電池組件和日常生活的方方面面。

對(duì)半導(dǎo)體光敏傳感器的研究應(yīng)用非常多，許多碩博士論文就以半導(dǎo)體光電傳感器為研究對(duì)象進(jìn)行傳感器性能提升、工藝優(yōu)化、新材料開(kāi)發(fā)等方面研究[8]。半導(dǎo)體光敏傳感不但可以將各類(lèi)光學(xué)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，而且能夠?qū)⒁恍┳陨砜梢赞D(zhuǎn)換成光學(xué)量的其他物理參量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，因而應(yīng)用廣泛，在智能家居、工業(yè)自動(dòng)化裝置、氣體成分分析等領(lǐng)域都具有重要的作用[9-10]。

2.1.4 半導(dǎo)體磁敏傳感器

半導(dǎo)體磁敏傳感器利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)、霍爾效應(yīng)等將磁學(xué)量轉(zhuǎn)換成電學(xué)量以實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體構(gòu)成。磁阻元件和霍爾元件都是由于載流子在磁場(chǎng)中受到洛倫茲力引起的，其中霍爾元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、頻響范圍大、使用壽命長(zhǎng)，被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)化和電子信息領(lǐng)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(yīng)進(jìn)行磁電轉(zhuǎn)換的一類(lèi)器件，其中磁敏二極管具有靈敏度高、可識(shí)別磁場(chǎng)極性的特點(diǎn)，常用于自動(dòng)監(jiān)測(cè)和控制中。另外，還可將磁敏元件和放大電路、信號(hào)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(lèi)磁信息。

2000年前，對(duì)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(lái)逐步開(kāi)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(dǎo)體的磁敏和光敏性質(zhì)設(shè)計(jì)了新型傳感器，可于位移傳感和智能定位系統(tǒng)中[12]。半導(dǎo)體磁敏傳感器具有體積小、響應(yīng)速度快、靈敏度高等特征，被廣泛應(yīng)用于磁通測(cè)量和自動(dòng)控制等領(lǐng)域中。

2.2 化學(xué)敏感型半導(dǎo)體傳感器

2.2.1 半導(dǎo)體氣敏傳感

半導(dǎo)體氣敏傳感器能夠感知?dú)怏w種類(lèi)與濃度信息，并將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。該類(lèi)探測(cè)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(shí)產(chǎn)生的阻值變化來(lái)測(cè)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(duì)特定氣體的吸附或者反應(yīng)來(lái)對(duì)氣體進(jìn)行間接檢測(cè)，以金屬柵MOS場(chǎng)效應(yīng)氣敏元件為代表。一般待測(cè)氣體不同，制備傳感器的氣敏材料也有所不同。

半導(dǎo)體氣敏傳感器主要用于環(huán)境監(jiān)測(cè)中。馬祥云等人報(bào)道了金屬氧化物半導(dǎo)體氣敏傳感器用于甲醛快速檢測(cè)的案例，為智能家居的實(shí)現(xiàn)提供了助力[13]；李澤森將氣敏傳感器應(yīng)用于CO氣體監(jiān)測(cè)；王恩亮等人利用氣敏傳感器設(shè)計(jì)了汽車(chē)尾氣檢測(cè)系統(tǒng)[14]。此外，氣敏傳感器還可以用于氧氣、二氧化碳?xì)怏w、氫氣、甲烷氣體、燃?xì)獾鹊谋O(jiān)測(cè)，對(duì)生產(chǎn)安全、家居安全、食品健康等有著很大的貢獻(xiàn)。

2.2.2 半導(dǎo)體濕敏傳感器

半導(dǎo)體濕敏傳感器利用濕敏材料對(duì)水分子的吸附或者與水分子產(chǎn)生的物化效應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境濕度的測(cè)量。半導(dǎo)體濕敏傳感器有很多類(lèi)，其中元素半導(dǎo)體型多由硅、鍺等的多晶薄膜制成，環(huán)境濕度變化會(huì)引起薄膜電導(dǎo)變化，該類(lèi)傳感器一般具有較好的溫度特性。全硅固態(tài)型又分為MOS型和結(jié)型，有著便于集成的優(yōu)點(diǎn)，更容易實(shí)現(xiàn)智能化操作。

半導(dǎo)體濕敏傳感器多用于環(huán)境濕度測(cè)量，在環(huán)保、電子、輕工業(yè)、自動(dòng)化系統(tǒng)中有著廣泛應(yīng)用。王汝成等人研制了互換硅型濕敏傳感器，用于環(huán)境濕度測(cè)量[15]；燕麗紅等人利用集成的溫濕度傳感器搭建了智慧養(yǎng)老看護(hù)系統(tǒng)，為老人提供了宜居環(huán)境[16]。目前，半導(dǎo)體濕度傳感器正向集成化、智能化、微機(jī)電體系化方向發(fā)展。

2.2.3 半導(dǎo)體離子敏傳感器

半導(dǎo)體離子敏傳感器是一種對(duì)特定離子敏感的元件，通過(guò)測(cè)定離子濃度感知信息，在化學(xué)、生物工程、食品等行業(yè)有著重要的應(yīng)用。常見(jiàn)的離子敏傳感器是基于場(chǎng)效應(yīng)開(kāi)發(fā)，具有靈敏度高、響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、干擾小等優(yōu)點(diǎn)，并向著微型化方向發(fā)展，可用于生物體內(nèi)信號(hào)的監(jiān)測(cè)。

吳傳健等人設(shè)計(jì)了一種基于氧化銦納米帶的離子敏場(chǎng)效應(yīng)晶體管，可用于微量溶液的pH值檢測(cè)，表現(xiàn)出良好的靈敏度[17]。崔大付利用氫離子敏場(chǎng)效應(yīng)管研制了可用于pH值檢測(cè)的固態(tài)傳感器[18]；袁朝春等人應(yīng)用離子敏傳感器測(cè)定了土壤中鉀、鈣、氨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量，以及土壤的pH值等信息，為農(nóng)業(yè)種植提供了有效的參考[19]；王春華等人系統(tǒng)地總結(jié)了集成的離子敏半導(dǎo)體傳感器的研究進(jìn)展[20]?？梢?jiàn)，離子敏半導(dǎo)體傳感器正向著多量感知、集成、智能、實(shí)用化方向進(jìn)展。

2.3 生物敏感型半導(dǎo)體傳感器

生物敏感型半導(dǎo)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(cè)物質(zhì)之間的相互作用，得出被測(cè)物質(zhì)的種類(lèi)和含量信息的一種傳感器。該類(lèi)器件所用傳感一般為場(chǎng)效應(yīng)管，通過(guò)將各類(lèi)酶、抗體、抗原等生物分子制成功能膜貼伏并固定于場(chǎng)效應(yīng)管上而形成，常用于測(cè)定生物體內(nèi)葡萄糖、尿素、抗體、抗原水平等。

邵盛奇等人總結(jié)了生物敏感型傳感器在葡萄糖監(jiān)測(cè)、糖尿病診斷和預(yù)防中的作用機(jī)理[21]]。么亞男總結(jié)了生物傳感器在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀[22]；朱子煜等總結(jié)了生物傳感器在新冠病毒檢測(cè)中的應(yīng)用[23]。此外，還有結(jié)合生物傳感和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)(MEMS)研制的微傳感器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yīng)用于動(dòng)物防疫、精密儀器等領(lǐng)域。

3 總結(jié)與展望

20 世紀(jì)80 年代以來(lái)，半導(dǎo)體技術(shù)和制備工藝逐漸成熟，國(guó)內(nèi)對(duì)半導(dǎo)體傳感器的研究進(jìn)入熱潮。人們從器件作用機(jī)理研究、新型器件研制、器件性能提升、新應(yīng)用領(lǐng)域開(kāi)拓等各個(gè)方面展開(kāi)了系統(tǒng)的研究，一系列的產(chǎn)品也相繼問(wèn)世，快速地應(yīng)用于農(nóng)林牧副漁各個(gè)領(lǐng)域，為我國(guó)各行各業(yè)的自動(dòng)化奠定了基礎(chǔ)?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)的構(gòu)建和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，更是將傳感器的應(yīng)用帶到一個(gè)新高度。半導(dǎo)體傳感器以半導(dǎo)體材料作為敏感元件，可應(yīng)用成熟的半導(dǎo)體加工工藝進(jìn)行批量生產(chǎn)，并且該類(lèi)傳感器具有響應(yīng)速度快、體積小、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，并且便于集成，能夠?qū)z測(cè)、信號(hào)處理或者不同探測(cè)功能的器件集成在一片芯片上，逐漸成為構(gòu)建各類(lèi)智能系統(tǒng)不可或缺的存在。