半导体敏感器件发展概况

信息技术是信息社会的基础技术，它包括信息的生产技术、应用技术以及一些相关性技术，涉及到大规模集成电路技术、计算机技术、软件技术、通信技术及传感器技术等一系列现代科学最先进的技术。通常人们将计算机称为“电脑”，将传感器称为“电五官”。就国际范围而言，目前是“电脑”十分发达，而“电五官”却非常迟钝。因此，传感器技术成了信息技术发展的主要矛盾。

半导体敏感器件是适应信息采集的迫切需要，近年来急速发展起来的一类新型的传感器。它不但能将各种物理的、化学的、生物的非电量信号转变为电信号，而且集成化的敏感器件还能对信号进行加工处理，使之更适应计算机的要求。实际上半导体敏感器件的诞生，已经使传统的传感器发生了质的变化。为了区别起见，这种新型的传感器叫Sensor，而传统的传感器叫Transducer。

作为新兴技术，半导体敏感器件发展十分迅速，在国际上的竞争也十分激烈。专家们认为七十年代是大规模集成电路年代，八十年代是敏感器件年代。1983年日本提出将敏感器件放在今后十年技术发展的首位，置于大规模集成电路之前，并在电子工业振兴协会下设了“新型固体敏感元件及传感器专门委员会”。日本一些大公司也都成立了相应的机构。联邦德国预测欧洲1980—1985年发展电子技术投资51亿马克中，敏感器件占10亿马克。1982年报导欧洲传感器市场的年增长率为32％。美国、英国、苏联、瑞士等国也都十分重视敏感器件的发展。

我国半导体敏感器件起步不算晚，特别是近两三年来发展速度较快。许多高等院校和研究所都开展了敏感器件的研究，一些半导体器件厂也都开始转向敏感器件的试制生产。就目前看和国外的差距不算太大，有点象60年代初期的半导体工业，只要工作做得好，可以预料“七五”期间将会有较大的发展。

半导体敏感器件发展趋势：

1．集成化。利用硅器件的平面工艺将分立的敏感器件和温度补偿、线性化处理和信号放大器制作在同一芯片上，形成集成化敏感器件。国外称这种敏感器件为Smart Sensor意思是灵巧的敏感器件。

2．多功能化。利用离子注入、外延、多层布线等技术，或者利用具有多种敏感功能的功能材料，将几种敏感器件制作在同一芯片上，形成多功能的敏感器件。

3．智能化。国外已经在开始研究将多功能的敏感器件与微机集成在同一芯片上。而且有人提出今后微机的发展将以多功能敏感器件为中心，制作专用的微机芯片。

由于半导体敏感器件采用微电子技术的加工技术，因此它具有高精度、高灵敏度、高可靠性、高速响应和微小型化、微功耗的特点，且易于实现集成化、多功能化和智能化，这是其它传感器望尘莫及的。

因为每一种敏感器件都必须有一种敏感物质与之对应；同样，每一种敏感器件也必须有一种物理现象、化学反应或生物反应与之对应。各学科协调发展，相互促进，必将使敏感技术走向更高的水平。

尽管已经有相当多的敏感器件投入使用，有的已进入了批量生产，但从总体上看，即便是在国际范围，目前半导体敏感器件仍然处于开发阶段，还没有国际统一的标准，目前多采用按被检测的物理、化学、生物量来进行分类。

半导体力学量敏感器件通常简称力敏器件，它是利用半导体材料的压阻效应研制而成的一种新型半导体器件。所谓压阻效应是指当半导体材料受应力作用时，其电阻率随应力的变化而变化，而且这种变化是各向异性的。半导体单晶硅和锗有压阻效应，化合物半导体也具有压阻效应。然而，目前主要是利用硅材料制作力敏器件。力敏器件具有能将被测的各种力学量如压力、速度、流量等转换成与其呈函数关系的电量（如电压或电流）的功能。这种器件的特点是体积小、重量轻、灵敏度高、精度高、可靠性高。由于采用了硅平面工艺，易于集成化，易于与微机接口。

力敏器件一般都按照用户的不同要求封装成各种不同的形式，其名称也是按用途而定。例如，压力传感器、差压传感器、荷重传感器、张力传感器、液位传感器、流体参数传感器、医用传感器等等。每种不同的传感器又可分出若干个系列来，如此可分出数百上千个品种，描述起来极不方便。一般是按芯片的结构和工艺来分，力敏器件可分为体型应变片、扩散硅（分立）、硅—蓝宝石和集成化四种。

力敏器件的应用十分广泛。在医疗方面可用于测人体胫骨变形、血压、脑压等；在交通运输方面可测载重、风速、风压及交通管理等；在科学研究、工业自控、环境气象、建筑材料及工程等领域都有着广泛的应用。

用于测量温度的电子元器件，一般分为有源和无源两类。有源器件是利用热释电效应、热电效应和半导体结效应制作的；无源元件是利用电阻的变化，通常称为热敏电阻。目前，热敏电阻的用量较大。

温敏器件有二极管、晶体管、闸流管和集成电路等四类。温敏器件被广泛地用于卫星、高空气象、深海探测、医疗卫生、节能和能源开发、工业自动控制等方面的测温和控温；在电子线路中它可做自动增益控制、音量控制、过热过载保护等。

半导体光敏器件是指能将光信号（或光能）转变成电信号（或电能）的器件。按其用途可叫做光、色、图象传感器。光敏器件发展较早，实用化程度较高，它与发光器件等构成的半导体光电子器件是科学计测、自动控制、通信、宇航和军事工程以及家用电器等各个领域中不可缺少的关键器件。

光敏器件种类繁多，目前尚无标准的分类方法。1．按器件对光波长的响应范围分为红外、可见光、紫外光和射线四种敏感器件。2．控器件的应用原理分为光生伏特、光电导、光磁电、光子牵引和光电子发射器件等。3．按器件的空间几何图形分为点、线、面和立体光敏器件。4．按器件的功能分为光接收、传输、探测、摄象、能量转换及光电耦合器件。

目前已有的光敏器件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光激可控硅器件、阵列，象限光敏管、光通信检测器、色敏器件、光耦合器件、光断续器、远红外检测器和CCD摄象器。

光敏器件和适当的光学系统相结合，就可以在光信息应用和处理方面显示出优良特性。例如可以用来研究物质的结构和性质；检测光信号，实现光控；作非接触测量；远距观察和控制；图象的处理、逻辑演算等。

半导体磁敏器件是指能将磁学物理量转变为电信号的半导体器件。磁敏器件是利用半导体材料的霍尔效应、磁阻效应、韦根德效应研制的，所以一般也叫做霍尔器件、磁阻器件、韦根德器件。

半导体磁敏器件按芯片结构可分为体型和结型两种器件；若按材料分则有Ge、Si、GaAs、InSb、InAs、InAsP等磁敏器件。它有霍尔器件、铁磁性磁敏器件、结型磁敏器件及超导量子干涉器件等门类。超导量子干涉器件可以检测地球磁场千亿分之一的微磁场，其数量级可与量子论的普朗克常数相比拟。有人预言，这一发现在现代科学技术上是继半导体出现后又一个革命性的转折点。

磁敏器件的应用很广泛，在科研和工业中用来检测磁场、电流、角度、转速、相位等；在汽车工业中作无触点汽车点火器、车速、里程表；计算机工业中作霍尔键盘；家用电器和工业上的无刷电机；在工业控制中作位置、间距、厚度和长度的检测与控制；在电子电路中作无触点开关等。随着这一器件的发展，目前正在开发坐标变换、微弱磁场的检测、图象识别等应用领域。

以上属于物理敏感器件，下面简单地介绍几种化学敏感器件。

半导体气敏器件能将各种气体的信号（浓度或成分）转变成电信号，从而实现了对可燃和有害气体的检测和报警。这类产品一诞生就很快受到了社会的重视。目前日本发展最快、产量最高。整个日本年产量约几千万只，年出口量约1千万只，产品品种约20多种。

气敏器件的发展主要是开发新型材料，如超微粒化材料和稀土复合氧化物材料等，研究新工艺和新器件，如薄厚膜工艺、MOS型新器件等；以解决器件的不稳定和选择性不高的缺点；发展集成化多功能器件，以满足信息处理和工业计测的需要。气敏器件目前主要用于家庭的煤气和液化气体的报警，煤矿瓦斯的报警以及火灾报警等；在环境大气污染的监测，医疗卫生和工业分析方面也得到了广泛的应用。

半导体湿敏器件能将湿度信号转变为电信号。主要品种有金属氧化物、半导体陶瓷和有机高分子化合物。前两种为七十年代发展起来的。目前正在研制MOS型湿敏器件，主要有两类，一类用氧化物作感湿膜如Al\(_{2}\)O3；另一类用有机高分子作感湿膜如聚酰亚胺。其结构都是在MOSFET的栅极上制作一层感湿薄膜。此外，还有将气敏与湿敏、温敏与湿敏集成在同一芯片上的功能化敏感器件。

湿敏器件已被广泛地用于气象预报和工业控制。例如在纤维、食品、制药、造纸、建筑医疗、电子等工业中对过程控制和空调设备中对湿度的检测和控制；在农林牧和商业系统中各种作物棚室、温室、饲养场、库房的温湿度控制；在交通运输方面的汽车、轮船、飞机的空调控制；在家用电器中对干燥设备、电子灶、磁带录象机、家庭空调设备的控制等。

半导体离子敏感器件是指能将溶液或生物体液内的离子活度转变为电信号的器件。它是将对各种离子有敏感作用的敏感膜制作在MOSFET的栅极上形成的，所以叫做离子敏场效应晶体管（ISFET）。

自七十年代第一只ISFET诞生以来，如今已经发展成为具有强大生命力的新型电化学器件。这是因为ISFET与离子选择性电极（ISE）和涂丝电极（CWE）相比，有微小型、快速响应、稳定可靠、使用方便、易集成化、功能化、易于工业化生产等特点。此外，生物医学、临床诊断的迫切要求也是促使ISFET迅速发展的重要因素。

目前国外约有30多种ISFET，但由于技术难度大、使用条件苛刻，能够实用化的仅有3—5种，其它大多处于实验阶段。其中PH－ISFET最为重要，相对来说也最成熟。其次，如钾、钠、钙……等，也都有产品。

ISFET的敏感材料主要有金属、氧化物和有机高分子。敏感膜是器件性能优劣的关键。而膜的好坏又与成膜工艺有关。因此，国内外当前都把敏感膜和成膜技术作为工作的重点开展了广泛的研究。其次，在微小型化和器件的封装工艺方面也做了不少工作。因为要将器件埋入动物和人的体内，植入动物的动脉、中央静脉、肌肉组织中，并在各种病理生理条件下进行测量，这就要求器件不但性能优良，而且要微型化。八十年代初日本制出了头部宽30～50微米的ISFET，1983年报导了头宽为10微米，尾宽为300微米的ISFET探头。这一成功标志着运用ISFET研究细胞生理功能的时代即将到来，从而使人们从细胞级水平去探索机体的功能和疑难病症成为可能。在集成化和多功能化方面也在迅速地发展着，英国已报导了将H\(^{+}\)、K+、Na\(^{+}\)和Ca++四种功能集成在一起的复合探头。ISFET发展的前景非常广阔。在各个领域实用化的时间不会太长了。

1．生物敏感器件。这是在PH－ISFET基础上发展起来的新型敏感器件，目前主要有两大类：酶—FET和微生物—FET。生物体内有着无数种酶，而每一种酶只对一种特定的生化反应起催化剂作用。这就是说酶有着特异的分子识别能力，利用这一特点将酶采用固定化技术，固定在PH－ISFET的有机高分子栅极膜上就做成了酶敏感器件。酶有2000多种，就可以做出2000多个酶—FET。国外已经有葡萄糖—FET、尿素—FET、盘尼西林—FET、乙醇胆碱—FET等。微生物是具有独立生命活动的细胞。利用它的特性将其固定在PH－ISFET的有机高分子栅极膜上就可以作为微生物—FET。例如，生物化学耗氧量（BOD）-FET、细菌总数—FET、致变物—FET等。这些生物敏器件被广泛地使用在生物医学、环境保护等各个领域中。例如BOD－FET是工业和生活废水的常规检验项目，若采用通常的BOD法需要五天才能测完而且操作非常麻烦，而采用BOD－FET，则30分钟解决问题，非常简便。

2．光纤传感器。这种传感器是利用半导体平面工艺在铌酸锂或石英晶体上做出光导纤维，再在两头加上光的发射和接收器件制成。当光在光导纤维中传播的时候，因受到外面电场、磁场、温度、各种力学量的影响，光传播的强度、振幅及相位就会随之变化，测量这种变化，就可以测出外界各种物理量。这种传感器的最大优点是不受电磁干扰、不受辐射的干扰，可用于原子弹爆炸等各种恶劣、苛刻的工作条件，而且测量的范围非常广泛。(中国电子器件工业总公司敏感技术专业协会秘书长赵志刚)