敏感材料及傳感器發展探析

劉超

1 前言

敏感材料，是指可感知電、光、聲、熱、力、磁和氣體等物理量、化學量和生物量微小變化，并能根據變化量表現出明顯相應特征變化的材料。傳感器是利用敏感材料的性能的感知元件，用于識別、采集被測量對象的相關信息，如光強度、壓力的大小及變化、溶液中離子的活躍度、振動頻率、聲波強度、電信號強度、輻射量、溫度變化、氣體成分和濃度等。敏感材料又被稱為傳感器材料。

傳感器技術、通信技術和計算機被稱為現代信息技術的三大支柱，更是構成物聯網的基礎性技術，其應用在國民經濟和國防建設的各個領域，既是推動未來科技、經濟發展的基礎技術，也是維持國家強勁發展勢頭的戰略性技術之一。當前，倍受關注的物聯網、大數據、云計算乃至智慧城市中的各節點技術的不斷發展，將為敏感材料和傳感器技術提供更有作為的發揮空間。

2 敏感材料的分類

業界對于敏感材料的分類方法眾多，也缺乏科學和統一的分類標準，就不一一進行列舉和對比。本文主要從材料結構分類方法進行劃分，也是材料領域比較認可的一種分類方法。按照這個方法，敏感材料可劃分為：半導體敏感材料、陶瓷敏感材料、金屬敏感材料、有機高分子敏感材料、光纖敏感材料和磁性敏感材料等六大類。

因后續文章中有作者專門對磁性敏感材料進行分析，故本文將不再對這部分內容進行過多贅述。此外，為避免讀者對本文產生視角狹隘、以偏概全的誤解，筆者補充了新型敏感材料及其應用部分，雖不能完全概括現有的3萬多種傳感器，但也力求向讀者盡可能多的介紹此領域涌現的新材料、新方法和新器件。

2.1 半導體敏感材料

半導體敏感材料主要包括硅、砷化鎵、碲化銦、硫化鉛、碳化硅、氮化鎵以及石英晶體等。

硅材料在地球儲量巨大，物理特性好，其作為最早的半導體材料具有良好的產業基礎，技術更加成熟。單晶硅具有很好的溫度敏感性，對光和磁場的響應隨溫度變化而變化，可制備聲波器件和加速計；多晶硅壓阻膜具有很好的溫度特性，能有效抑制溫漂，是制造低溫漂傳感器的理想材料；非晶硅體可制成光傳感器、成像傳感器、高靈敏度溫度傳感器、微波功率傳感器、觸覺傳感器等。此外，硅還被廣泛用于壓力、溫度、力學和觸覺傳感器。

砷化鎵、銻化銦等化合物半導體材料有比硅、鍺更好的物理性能，其具有更高的磁場傳感靈敏度。隨著化合物半導體的快速發展，適合特定應用場景的更高靈敏度的霍爾傳感器可以由砷化鎵等材料制備。

2.2 陶瓷敏感材料

在傳感器中，陶瓷材料結構強度高、質量輕、耐化學品腐蝕、結構強度高，并且能與其他材料很好結合，也表現出優異的電氣性能。陶瓷傳感器材料是一類具有敏感特性的單相或多相的無機非金屬材料，其結構主要有多晶相晶粒、晶界、氣孔相和偏析相等。如根據晶粒性質制成的熱敏電阻，有根據晶界界面物理/化學吸附及電導性制成的氣敏和濕敏陶瓷。陶瓷敏感材料主要包括氧化鐵、氧化錫、氧化鋅、氧化鋯、氧化鈦、氧化鋁、鈦酸鋇等，用于制造氣敏、濕敏、熱敏、紅外敏、離子敏等傳感器。

2.3 金屬敏感材料

金屬作為傳感器敏感材料，不如半導體和陶瓷敏感材料廣泛，對于金屬而言，其敏感元件利用的中心特性就是自由電子和自旋，主要用于機械傳感器和電磁傳感器中。

從傳感器設計的角度來說，金屬敏感材料一般分成黑色金屬和有色金屬。黑色金屬是常見的鋼、硅鋼、錳鋼等，較為常見的是與磁性傳感器結合測量物體運動和磁場強度等，也有利用其磁場屏蔽性能。有色金屬有鉑、金、銀、銅、鎳、鎂、鋁等不受磁場影響，除磁性傳感器外，有色金屬具備多樣的力學性能和電氣性能。

金屬傳感器根據所應用的場景不同和特殊性要求，可針對不同金屬的物理化學性質進行設計。如鎂和鋁有較高的比強度，且耐腐蝕；鈹具有密度低、高比熱容、強尺寸穩定性，對X射線透明，單位質量模量高（是鋼的5倍）；鎳的硬度大，強度和模量高，在超低溫和超高溫都能保持穩定的力學性能；銅的導熱性和導電性能優越，易加工；鉑、鈀、銥、銠性能相似，延展性好，極耐腐蝕；鎢和鉬在1400℃的溫度下仍能保持良好的強度和剛度，并且與多數酸性溶液或物質不易反應。

2.4 有機高分子敏感材料

有機材料用于傳感器還處在開發階段，是新興的傳感器材料，如有機高分子電解質、吸濕樹脂、有機半導體聚咪唑、酶膜、液晶、賽璐珞高分子膜、含聚合物的環狀肽等，其具有半導體、導電、光電、介電及絕緣等特性，能進一步擴充敏感元器件的應用場景。

有機高分子材料按功能又分為物理敏感材料，如電場敏感材料、磁場敏感材料、光敏材料、射線敏感材料、熱敏材料、壓電敏感材料；化學物質敏感材料，如氣敏材料、離子敏材料、分子敏材料。

2.5 光纖敏感材料

光纖又稱“光導纖維”，由石英玻璃或高分子塑料制成，可作為光傳導媒介。光纖的傳輸原理是光的全反射原理，可分為單模光纖、多模光纖、特種光纖等，具有帶寬寬、無串音、抗核輻射等優點。光纖與敏感元件組合（光纖光柵）或利用本身的特性，可以做成各種傳感器來測量壓力、流量、溫度、位移、光澤和顏色等。

2.6 新型敏感材料

隨著傳感技術越來越向嵌入式、微型化、模塊化、智能化、集成化、網絡化方向發展，新的應用場景也在近幾年不斷涌現，這就對傳感材料、機理、技術提出更高的需求。

硅納米線具有制備簡單、生物兼容性好、穩定性高、表面易修飾等特點，為疾病早期診斷提供了新的技術手段；石墨烯材料比表面積大、環境敏感、信噪比高、生物相容性好，在力學傳感、聲學傳感、光學傳感等方面有廣闊的發展前景；碳納米管既具有導電性也具有半導體特性，更具有良好的導熱性，用其制作的氣體傳感器體積更小、工作溫度更低、靈敏度更高、響應速度更快；二維過渡金屬硫化物（2D-TMD，可表示為：MX2，M為過渡金屬元素，X為硫族元素）、金屬框架多孔網絡結構晶態材料（MOFs）、水凝膠材料、有機半導體傳感材料、柔性可穿戴傳感材料、液態金屬、鈣鈦礦等新型敏感材料在實驗室都表現出優異的特性，將在不久的將來各種新的應用場景中發揮重要作用。

3 敏感材料在傳感器中的應用

3.1 半導體材料傳感器

截至目前，全球半導體材料已經由硅、鍺單元素材料發展至砷化鎵、磷化銦以及碳化硅和氮化鎵等寬禁帶化合物材料，其器件性能也隨著材料的物理化學特性的提升而發展。然而，以微電子系統（MEMS）技術為主要工藝路線的MEMS傳感器技術仍以硅基材料為主。

在單晶硅片上通過磁控濺射制得氧化鋅薄膜，以此制備的硅基氧化鋅深紫外傳感器，具備功耗低、壽命長、深紫外檢測靈敏等優點，廣泛應用于火災、紫外線輻射、火箭發射、飛行器跟蹤和導彈制導的領域；利用硅基集成微環陣列技術構建的光電二極管實現了高精度溫度測量，在醫療衛生、疫情防控、物資運輸等方面已實現快速應用；多晶硅PN結級聯光源全硅光電生物傳感器為農業生產檢測、醫療健康、食品安全等檢測需求帶來方便；MEMS硅基陀螺在導彈制導等高過載環境中的應用，為我國軍事打擊和防御能力的提升作出了突出貢獻。

碳化硅因具有更大的禁帶寬度、更高的熱導率、電子飽和度和電子遷移速率，在高壓、高頻和高溫以及大功率傳感及電子器件中的應用逐漸增加。碳化硅傳感器目前除可見報道在深地礦井等更高溫度的環境使用外，其他應用場景還未見擴展。

3.2 陶瓷材料傳感器

近年來，陶瓷傳感器用干食品的質量檢測與管理也得到了迅速發展，如氧化亞錫傳感器用于酒類、咖啡、肉類的鮮度鑒定和葡萄酒的識別；氧化鋅（摻雜氧化鎢）傳感器用干牛肉鮮度鑒定等。功能陶瓷敏感器件的多功能化是今后發展的重要方向，如BaTiO-BaSbO系材料可制成氣—溫—濕多功能敏感器件。

3.3 金屬材料傳感器

一些特殊結構形式的傳感器，對介質和量程有特殊要求，會選用如鋁合金、銅合金和鈦合金作為傳感材料。在某些特殊環境下，會選用錳銅合金來吸收諧振釋放的能量，進而有效減少噪聲和內部應力，對高動態響應傳感器最為適合。鈮基合金無磁、抗氧化性強、耐高溫、彈性模量低、彈性限高、滯后效應小，在特殊場景下的傳感器中得到了應用。此外，碳鎳鉻鋼、碳鉻錳硅鋼、彈簧鋼、高速工具鋼等也在一些傳感器中得到應用，但用途比較狹窄。

3.4 有機高分子材料傳感器

有機高分子材料具有電子、光學、熱學、機械、化學和生物學特性，以力敏、熱敏、光敏等元件發展最快。聚偏氟乙烯及其共聚物系列材料具有優良的抗輻射性、電絕緣性、化學穩定性、熱穩定性，經過拉伸、極化、鍍電極等處理后加工成薄膜，表現出有強壓電效應、電致伸縮效應和熱釋電效應，在傳感器方面的應用前景頗引人注目。人們已研制出立體聲耳機、傳聲器、高頻揚聲器、加速度計、水聽器、聲納探測器、海洋監測裝置、海岸警戒裝置、水下聲成像、超聲無損探傷、聲表面波、延遲線、無觸點開關、鍵盤開關、光纖開關、紅外探測器、入侵報警器和印刷傳感器等。在醫療器械中則有心音計、胎音計、 脈搏計、人體組織的超聲斷層實時顯像設備、A型超聲掃描設備、血流量檢測器、假肢傳感器、盲人觸覺傳感器等產品。

三甘氨酸硫酸鹽有機熱釋電晶體薄膜有很高的熱釋電系數，是一種非接觸式的新型熱電敏感材料，可將熱輻射直接轉換成電信號。這種傳感器響應頻率高、速度快、頻帶寬，不受輻射波長限制，在氣體分析、遙測、遙感等方面有獨特優越性。

3.5 光纖光柵傳感器

自從20世紀80年代末光纖光柵首次被用于傳感領域后，經過30多年的發展，其在光纖傳感領域的發展日漸突出，根據應用環境不同，光纖光柵傳感器可分為溫度傳感器、應力傳感器、彎曲傳感器、壓力傳感器、生化傳感器和光纖加速計等。

在民用工程領域，對于大壩、橋梁、隧道、大型建筑工程的維護起到了至關重要的作用，將光纖傳感器緊貼建筑物表面，可以預知其局部荷載狀態；如果將光纖傳感器澆筑在建筑物內部，可以監測建筑內部缺陷；光纖傳感器還可以用來對大型長距離斜拉橋、跨海大橋等鋼索及橋體進行長期的應力、裂縫等安全監控，如在海南?？谑兰o大橋、湖北荊岳大橋、港珠澳大橋等上的應用；還可利用光纖傳感器對溫度和應力的感知功能對石油、成品油及天然氣管道進行安全監測，以感知第三方行為對管道造成或正在造成破壞，以及對管道周圍地質環境的改變進行預測，如在中石油、中石化和國家管網集團所管理的管道中有大量使用。

在航空航天領域，只用1根含有光柵纖芯的光纖，就可以對飛行器起落架所受的壓力、振動、狀態和燃料液位進行監測。美國波音公司注冊了大量的光纖傳感相關專利，在飛行器運行過程中進行健康和性能的實時監控，大大縮短了飛行器維護和維修時間，降低了成本，并為改進和提升飛行器性能提供了大量的原始數據參數。

在電力領域，關鍵的電力設備運行和高壓線路輸電過程需要進行實時監測，由于這些測量和監測場景處于高壓強磁場環境，因此電類有源傳感器則無法使用，而光纖傳感器絕緣且無源，成為這一領域的最優選擇。將光纖傳感系統分布于沙漠荒原及高海拔無人地帶，可對這些地區的傳輸電纜和變電站進行實時監測，有效降低了人工成本，節省了維護費用，如“西電東送”工程中就大量采用光纖光柵高壓開關逐點監控系統來檢測高壓電纜的工作溫度。

3.6 新型傳感器

利用硅納米線為基礎的新型傳感器在探測生物和和化學物質方面顯示出了高潮的靈敏性，將在未來改變人類健康的檢測方式，其還可以用于識別人體個別基因突變位點，是一款應用潛力極大的新型生物傳感器。

石墨烯靜電揚聲器的頻譜響應可以完全滿足商業化需求；而利用石墨烯熱聲效應和壓阻效應開發的石墨烯人工喉，實現了聲波的發射和接收，能夠感知喉嚨發出的微弱聲波振動，并將微弱振動信號轉化為強度可控的音頻信號發出，有望實現聾啞患者“發出自己聲音”的愿望。近幾年，科學家對碳納米管傳感器的研究逐漸增多，尤其是在氣體傳感器方面取得不小的發展，其選擇性識別度高，響應時間長，在環保監測、工業氣體檢測和礦井事故救援等領域有望廣泛應用。

二硫化鉬基傳感器對氮氧化物、氨氣、一氧化碳、三氯甲烷、甲醇氣體等有毒氣體響應靈敏度較高，在對上述氣體的環境監測中發揮重要作用。

合成水凝膠可對分子進行識別，新型光子晶體水凝膠材料能夠檢測金屬陽離子和小分子葡萄糖以及蛋白質等。利用無定型碳酸鈣納米粒子、聚丙烯酸和海藻酸鈉交聯制備的礦物水凝膠，可以制備具有高靈敏度和良好力學性能的皮膚傳感器。

4 展望

從近幾年新的應用場景發展趨勢看，傳統傳感器已不能再適應新場景的應用需求，傳感器的制造技術越來越向MEMS技術工藝靠攏，且對MEMS工藝更具依賴性。MEMS傳感器制備技術因其質量小、尺寸小、成本低、集成化程度高和多功能化強等特點，更適合傳感器的批量生產。

MEMS技術可以制備壓力傳感器、加速度計、陀螺儀、慣性傳感器、霍爾傳感器、微型麥克風等，在智能汽車、消費電子、生物醫療、航空航天、通信和國防軍事等領域大規模應用。目前，傳感器功耗問題、尺寸效應、粘附效應還有待解決；量子效應在傳感器未來的發展中將會占據重要位置；隨著我國空間站技術的不斷進步和對未來外太空探索步伐的加快，抗輻照傳感器也將在未來的航空航天領域一展身手；高性能生物傳感器在DNA分析、病毒顆粒分析和人體細胞等生物分子的檢測具有優勢；人工智能和智能汽車的發展，帶動了傳感器智能化需求的窗口，智能傳感器的發展或將顛覆包括人工智能、智慧交通、智能家居、智慧安防、智慧醫療和智慧物流等在內的諸多領域發生革命性的技術變化。

5 結語

時至今日，物聯網、大數據、云計算、智能汽車和智慧城市等技術已悄然在我們身邊興起并快速發展著，有人將傳感器看作是“萬物之眼”。如果沒有眾多敏感材料構成的傳感器材料體系的發展，那么傳感器功能的實現和創新性的設計將會讓“萬物之眼”因缺乏技術承載媒介而最終致盲。值得欣喜的是，我國對傳感器的重視程度已經逐漸向戰略層面傾斜，未來的一段時間，更多適應新應用場景的傳感器和敏感材料將不斷涌現，我國傳感器“卡脖子”問題終有一日將得到徹底解決。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.03.002

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