敏感材料及传感器发展探析

刘超

1 前言

敏感材料，是指可感知电、光、声、热、力、磁和气体等物理量、化学量和生物量微小变化，并能根据变化量表现出明显相应特征变化的材料。传感器是利用敏感材料的性能的感知元件，用于识别、采集被测量对象的相关信息，如光强度、压力的大小及变化、溶液中离子的活跃度、振动频率、声波强度、电信号强度、辐射量、温度变化、气体成分和浓度等。敏感材料又被称为传感器材料。

传感器技术、通信技术和计算机被称为现代信息技术的三大支柱，更是构成物联网的基础性技术，其应用在国民经济和国防建设的各个领域，既是推动未来科技、经济发展的基础技术，也是维持国家强劲发展势头的战略性技术之一。当前，倍受关注的物联网、大数据、云计算乃至智慧城市中的各节点技术的不断发展，将为敏感材料和传感器技术提供更有作为的发挥空间。

2 敏感材料的分类

业界对于敏感材料的分类方法众多，也缺乏科学和统一的分类标准，就不一一进行列举和对比。本文主要从材料结构分类方法进行划分，也是材料领域比较认可的一种分类方法。按照这个方法，敏感材料可划分为：半导体敏感材料、陶瓷敏感材料、金属敏感材料、有机高分子敏感材料、光纤敏感材料和磁性敏感材料等六大类。

因后续文章中有作者专门对磁性敏感材料进行分析，故本文将不再对这部分内容进行过多赘述。此外，为避免读者对本文产生视角狭隘、以偏概全的误解，笔者补充了新型敏感材料及其应用部分，虽不能完全概括现有的3万多种传感器，但也力求向读者尽可能多的介绍此领域涌现的新材料、新方法和新器件。

2.1 半导体敏感材料

半导体敏感材料主要包括硅、砷化镓、碲化铟、硫化铅、碳化硅、氮化镓以及石英晶体等。

硅材料在地球储量巨大，物理特性好，其作为最早的半导体材料具有良好的产业基础，技术更加成熟。单晶硅具有很好的温度敏感性，对光和磁场的响应随温度变化而变化，可制备声波器件和加速计；多晶硅压阻膜具有很好的温度特性，能有效抑制温漂，是制造低温漂传感器的理想材料；非晶硅体可制成光传感器、成像传感器、高灵敏度温度传感器、微波功率传感器、触觉传感器等。此外，硅还被广泛用于压力、温度、力学和触觉传感器。

砷化镓、锑化铟等化合物半导体材料有比硅、锗更好的物理性能，其具有更高的磁场传感灵敏度。随着化合物半导体的快速发展，适合特定应用场景的更高灵敏度的霍尔传感器可以由砷化镓等材料制備。

2.2 陶瓷敏感材料

在传感器中，陶瓷材料结构强度高、质量轻、耐化学品腐蚀、结构强度高，并且能与其他材料很好结合，也表现出优异的电气性能。陶瓷传感器材料是一类具有敏感特性的单相或多相的无机非金属材料，其结构主要有多晶相晶粒、晶界、气孔相和偏析相等。如根据晶粒性质制成的热敏电阻，有根据晶界界面物理/化学吸附及电导性制成的气敏和湿敏陶瓷。陶瓷敏感材料主要包括氧化铁、氧化锡、氧化锌、氧化锆、氧化钛、氧化铝、钛酸钡等，用于制造气敏、湿敏、热敏、红外敏、离子敏等传感器。

2.3 金属敏感材料

金属作为传感器敏感材料，不如半导体和陶瓷敏感材料广泛，对于金属而言，其敏感元件利用的中心特性就是自由电子和自旋，主要用于机械传感器和电磁传感器中。

从传感器设计的角度来说，金属敏感材料一般分成黑色金属和有色金属。黑色金属是常见的钢、硅钢、锰钢等，较为常见的是与磁性传感器结合测量物体运动和磁场强度等，也有利用其磁场屏蔽性能。有色金属有铂、金、银、铜、镍、镁、铝等不受磁场影响，除磁性传感器外，有色金属具备多样的力学性能和电气性能。

金属传感器根据所应用的场景不同和特殊性要求，可针对不同金属的物理化学性质进行设计。如镁和铝有较高的比强度，且耐腐蚀；铍具有密度低、高比热容、强尺寸稳定性，对X射线透明，单位质量模量高（是钢的5倍）；镍的硬度大，强度和模量高，在超低温和超高温都能保持稳定的力学性能；铜的导热性和导电性能优越，易加工；铂、钯、铱、铑性能相似，延展性好，极耐腐蚀；钨和钼在1400℃的温度下仍能保持良好的强度和刚度，并且与多数酸性溶液或物质不易反应。

2.4 有机高分子敏感材料

有机材料用于传感器还处在开发阶段，是新兴的传感器材料，如有机高分子电解质、吸湿树脂、有机半导体聚咪唑、酶膜、液晶、赛璐珞高分子膜、含聚合物的环状肽等，其具有半导体、导电、光电、介电及绝缘等特性，能进一步扩充敏感元器件的应用场景。

有机高分子材料按功能又分为物理敏感材料，如电场敏感材料、磁场敏感材料、光敏材料、射线敏感材料、热敏材料、压电敏感材料；化学物质敏感材料，如气敏材料、离子敏材料、分子敏材料。

2.5 光纤敏感材料

光纤又称“光导纤维”，由石英玻璃或高分子塑料制成，可作为光传导媒介。光纤的传输原理是光的全反射原理，可分为单模光纤、多模光纤、特种光纤等，具有带宽宽、无串音、抗核辐射等优点。光纤与敏感元件组合（光纤光栅）或利用本身的特性，可以做成各种传感器来测量压力、流量、温度、位移、光泽和颜色等。

2.6 新型敏感材料

随着传感技术越来越向嵌入式、微型化、模块化、智能化、集成化、网络化方向发展，新的应用场景也在近几年不断涌现，这就对传感材料、机理、技术提出更高的需求。

硅纳米线具有制备简单、生物兼容性好、稳定性高、表面易修饰等特点，为疾病早期诊断提供了新的技术手段；石墨烯材料比表面积大、环境敏感、信噪比高、生物相容性好，在力学传感、声学传感、光学传感等方面有广阔的发展前景；碳纳米管既具有导电性也具有半导体特性，更具有良好的导热性，用其制作的气体传感器体积更小、工作温度更低、灵敏度更高、响应速度更快；二维过渡金属硫化物（2D-TMD，可表示为：MX2，M为过渡金属元素，X为硫族元素）、金属框架多孔网络结构晶态材料（MOFs）、水凝胶材料、有机半导体传感材料、柔性可穿戴传感材料、液态金属、钙钛矿等新型敏感材料在实验室都表现出优异的特性，将在不久的将来各种新的应用场景中发挥重要作用。

3 敏感材料在传感器中的应用

3.1 半导体材料传感器

截至目前，全球半导体材料已经由硅、锗单元素材料发展至砷化镓、磷化铟以及碳化硅和氮化镓等宽禁带化合物材料，其器件性能也随着材料的物理化学特性的提升而发展。然而，以微电子系统（MEMS）技术为主要工艺路线的MEMS传感器技术仍以硅基材料为主。

在单晶硅片上通过磁控溅射制得氧化锌薄膜，以此制备的硅基氧化锌深紫外传感器，具备功耗低、寿命长、深紫外检测灵敏等优点，广泛应用于火灾、紫外线辐射、火箭发射、飞行器跟踪和导弹制导的领域；利用硅基集成微环阵列技术构建的光电二极管实现了高精度温度测量，在医疗卫生、疫情防控、物资运输等方面已实现快速应用；多晶硅PN结级联光源全硅光电生物传感器为农业生产检测、医疗健康、食品安全等检测需求带来方便；MEMS硅基陀螺在导弹制导等高过载环境中的应用，为我国军事打击和防御能力的提升作出了突出贡献。

碳化硅因具有更大的禁带宽度、更高的热导率、电子饱和度和电子迁移速率，在高压、高频和高温以及大功率传感及电子器件中的应用逐渐增加。碳化硅传感器目前除可见报道在深地矿井等更高温度的环境使用外，其他应用场景还未见扩展。

3.2 陶瓷材料传感器

近年来，陶瓷传感器用干食品的质量检测与管理也得到了迅速发展，如氧化亚锡传感器用于酒类、咖啡、肉类的鲜度鉴定和葡萄酒的识别；氧化锌（掺杂氧化钨）传感器用干牛肉鲜度鉴定等。功能陶瓷敏感器件的多功能化是今后发展的重要方向，如BaTiO-BaSbO系材料可制成气—温—湿多功能敏感器件。

3.3 金属材料传感器

一些特殊结构形式的传感器，对介质和量程有特殊要求，会选用如铝合金、铜合金和钛合金作为传感材料。在某些特殊环境下，会选用锰铜合金来吸收谐振释放的能量，进而有效减少噪声和内部应力，对高动态响应传感器最为适合。铌基合金无磁、抗氧化性强、耐高温、弹性模量低、弹性限高、滞后效应小，在特殊场景下的传感器中得到了应用。此外，碳镍铬钢、碳铬锰硅钢、弹簧钢、高速工具钢等也在一些传感器中得到应用，但用途比较狭窄。

3.4 有机高分子材料传感器

有机高分子材料具有电子、光学、热学、机械、化学和生物学特性，以力敏、热敏、光敏等元件发展最快。聚偏氟乙烯及其共聚物系列材料具有優良的抗辐射性、电绝缘性、化学稳定性、热稳定性，经过拉伸、极化、镀电极等处理后加工成薄膜，表现出有强压电效应、电致伸缩效应和热释电效应，在传感器方面的应用前景颇引人注目。人们已研制出立体声耳机、传声器、高频扬声器、加速度计、水听器、声纳探测器、海洋监测装置、海岸警戒装置、水下声成像、超声无损探伤、声表面波、延迟线、无触点开关、键盘开关、光纤开关、红外探测器、入侵报警器和印刷传感器等。在医疗器械中则有心音计、胎音计、 脉搏计、人体组织的超声断层实时显像设备、A型超声扫描设备、血流量检测器、假肢传感器、盲人触觉传感器等产品。

三甘氨酸硫酸盐有机热释电晶体薄膜有很高的热释电系数，是一种非接触式的新型热电敏感材料，可将热辐射直接转换成电信号。这种传感器响应频率高、速度快、频带宽，不受辐射波长限制，在气体分析、遥测、遥感等方面有独特优越性。

3.5 光纤光栅传感器

自从20世纪80年代末光纤光栅首次被用于传感领域后，经过30多年的发展，其在光纤传感领域的发展日渐突出，根据应用环境不同，光纤光栅传感器可分为温度传感器、应力传感器、弯曲传感器、压力传感器、生化传感器和光纤加速计等。

在民用工程领域，对于大坝、桥梁、隧道、大型建筑工程的维护起到了至关重要的作用，将光纤传感器紧贴建筑物表面，可以预知其局部荷载状态；如果将光纤传感器浇筑在建筑物内部，可以监测建筑内部缺陷；光纤传感器还可以用来对大型长距离斜拉桥、跨海大桥等钢索及桥体进行长期的应力、裂缝等安全监控，如在海南海口世纪大桥、湖北荆岳大桥、港珠澳大桥等上的应用；还可利用光纤传感器对温度和应力的感知功能对石油、成品油及天然气管道进行安全监测，以感知第三方行为对管道造成或正在造成破坏，以及对管道周围地质环境的改变进行预测，如在中石油、中石化和国家管网集团所管理的管道中有大量使用。

在航空航天领域，只用1根含有光栅纤芯的光纤，就可以对飞行器起落架所受的压力、振动、状态和燃料液位进行监测。美国波音公司注册了大量的光纤传感相关专利，在飞行器运行过程中进行健康和性能的实时监控，大大缩短了飞行器维护和维修时间，降低了成本，并为改进和提升飞行器性能提供了大量的原始数据参数。

在电力领域，关键的电力设备运行和高压线路输电过程需要进行实时监测，由于这些测量和监测场景处于高压强磁场环境，因此电类有源传感器则无法使用，而光纤传感器绝缘且无源，成为这一领域的最优选择。将光纤传感系统分布于沙漠荒原及高海拔无人地带，可对这些地区的传输电缆和变电站进行实时监测，有效降低了人工成本，节省了维护费用，如“西电东送”工程中就大量采用光纤光栅高压开关逐点监控系统来检测高压电缆的工作温度。

3.6 新型传感器

利用硅纳米线为基础的新型传感器在探测生物和和化学物质方面显示出了高潮的灵敏性，将在未来改变人类健康的检测方式，其还可以用于识别人体个别基因突变位点，是一款应用潜力极大的新型生物传感器。

石墨烯静电扬声器的频谱响应可以完全满足商业化需求；而利用石墨烯热声效应和压阻效应开发的石墨烯人工喉，实现了声波的发射和接收，能够感知喉咙发出的微弱声波振动，并将微弱振动信号转化为强度可控的音频信号发出，有望实现聋哑患者“发出自己声音”的愿望。近几年，科学家对碳纳米管传感器的研究逐渐增多，尤其是在气体传感器方面取得不小的发展，其选择性识别度高，响应时间长，在环保监测、工业气体检测和矿井事故救援等领域有望广泛应用。

二硫化钼基传感器对氮氧化物、氨气、一氧化碳、三氯甲烷、甲醇气体等有毒气体响应灵敏度较高，在对上述气体的环境监测中发挥重要作用。

合成水凝胶可对分子进行识别，新型光子晶体水凝胶材料能够检测金属阳离子和小分子葡萄糖以及蛋白质等。利用无定型碳酸钙纳米粒子、聚丙烯酸和海藻酸钠交联制备的矿物水凝胶，可以制备具有高灵敏度和良好力学性能的皮肤传感器。

4 展望

从近几年新的应用场景发展趋势看，传统传感器已不能再适应新场景的应用需求，传感器的制造技术越来越向MEMS技术工艺靠拢，且对MEMS工艺更具依赖性。MEMS传感器制备技术因其质量小、尺寸小、成本低、集成化程度高和多功能化强等特点，更适合传感器的批量生产。

MEMS技术可以制备压力传感器、加速度计、陀螺仪、惯性传感器、霍尔传感器、微型麦克风等，在智能汽车、消费电子、生物医疗、航空航天、通信和国防军事等领域大规模应用。目前，传感器功耗问题、尺寸效应、粘附效应还有待解决；量子效应在传感器未来的发展中将会占据重要位置；随着我国空间站技术的不断进步和对未来外太空探索步伐的加快，抗辐照传感器也将在未来的航空航天领域一展身手；高性能生物传感器在DNA分析、病毒颗粒分析和人体细胞等生物分子的检测具有优势；人工智能和智能汽车的发展，带动了传感器智能化需求的窗口，智能传感器的发展或将颠覆包括人工智能、智慧交通、智能家居、智慧安防、智慧医疗和智慧物流等在内的诸多领域发生革命性的技术变化。

5 结语

时至今日，物联网、大数据、云计算、智能汽车和智慧城市等技术已悄然在我们身边兴起并快速发展着，有人将传感器看作是“万物之眼”。如果没有众多敏感材料构成的传感器材料体系的发展，那么传感器功能的实现和创新性的设计将会让“万物之眼”因缺乏技术承载媒介而最终致盲。值得欣喜的是，我国对传感器的重视程度已经逐渐向战略层面倾斜，未来的一段时间，更多适应新应用场景的传感器和敏感材料将不断涌现，我国传感器“卡脖子”问题终有一日将得到彻底解决。

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

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