华中科大综述硅兼容半导体气体传感器研究进展
2026-04-25 07:24:43   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

随着智能环境监测需求的持续增长，高性能、低成本、高集成度的气体传感器技术正在快速发展。硅兼容半导体气体传感器凭借与CMOS工艺的兼容性，为实现这一目标提供了极具潜力的技术平台，其技术演进聚焦两条核心路线：一是基于微机电系统（MEMS）的小型化路径，二是采用场效应晶体管（FET）结构的机制创新路径。近年来，依托MEMS成熟的规模化制造能力，结合FET高灵敏度与信号放大的固有优势，新一代高性能气体传感器得以快速发展。

据麦姆斯咨询报道，针对上述领域研究情况，华中科技大学刘欢教授团队在Chemosensors期刊上发表了题为“Silicon-Compatible Semiconductor Gas Sensors”的综述文章，系统回顾了硅兼容半导体气体传感器的最新研究进展，重点聚焦MEMS与FET技术，探讨了其传感机理与性能优化策略；此外，进一步阐述了气体传感器技术向集成传感、计算与存储功能的片上智能嗅觉系统演进的趋势，并对该领域未来的技术融合与应用拓展进行了展望。

图1 硅兼容半导体气体传感器的典型器件结构与技术路线

MEMS气体传感器

在硅兼容半导体气体传感器的多种技术路线中，MEMS技术凭借其在构建三维微结构、实现热管理与低功耗方面的独特优势，成为推动气体传感器向智能传感芯片演进的关键路径。目前，基于MEMS技术的气体传感器普遍采用金属氧化物半导体（MOS）作为核心敏感材料，构成MEMS MOS气体传感器。MEMS MOS气体传感器的核心结构在于将高性能敏感材料与微热板在硅基平台上进行集成。

为了实现痕量气体的高灵敏、高选择性检测等目标，MEMS气体传感器需要通过材料工程与集成工艺创新两大策略实现性能突破。然而，敏感材料与微热板各自的优势在高性能传感芯片中往往难以协同提升，核心瓶颈在于二者之间的集成难题。为此，研究人员开发了多种集成策略，核心均围绕解决三维微结构上的材料精准定位与成型难题。根据材料沉积/合成工艺与微热板的结合方式，相关路线可归纳为三类：一是基于微纳米图形化技术的直接沉积路线；二是利用微热板局域加热实现敏感材料原位合成路线；三是基于微纳操控技术的预制材料精准集成路线。

图2 MEMS气体传感器敏感材料与微热板的集成策略及性能验证

上述精细化集成方案为突破材料—工艺兼容瓶颈提供了重要支撑。尽管如此，如何将MEMS器件的低功耗、批量化制造优势，与敏感材料的高灵敏、快速响应特性有机融合，以实现复杂动态环境下的可靠气体分析，仍面临诸多挑战。为此，发展具备独立温控能力的片上高密度传感阵列，成为实现复杂气体精准辨识的关键方向。

FET气体传感器

尽管MEMS MOS气体传感器已实现广泛商业化应用，但FET气体传感器走出了一条独具特色的技术路线，目前其在实验室阶段已取得诸多突破，但尚未大规模转化为市场化产品。FET气体传感器的核心优势在于其独特的信号转换与放大机制，为实现高精度气体检测提供了全新技术方案。按照敏感层在器件中的空间布局与功能定位，FET气体传感器主要可分为沟道敏感型与栅极敏感型两类基本结构。

与MEMS气体传感器类似，FET气体传感器的性能提升，本质上同样由两个经典维度的创新驱动：材料（表面/界面）工程和器件结构设计。值得注意的是，FET气体传感器的独特优势在于其固有的场效应可调性，这为其性能优化提供了更直接的策略。

图3 FET气体传感器的结构设计、传感机理与典型响应特性

图4 FET气体传感器材料工程层面的性能优化策略

图5 FET气体传感器结构设计层面的性能优化策略

随着人工智能（AI）技术的发展，FET气体传感器正快速向智能化、多功能化方向演进。通过将多维传感数据与神经网络算法相结合，可实现对复杂混合气体的实时分析与浓度预测。此外，柔性FET气体传感器的出现拓展了其在可穿戴设备中的应用前景，例如与微流控技术的集成则实现了生物标志物气体的连续监测。这些创新方向充分展现了FET气体传感器在环境监测、医疗诊断、工业安全等领域的巨大应用潜力。

人工嗅觉系统与复杂场景分析

在复杂气体环境中对特定组分进行精准识别与定量检测，对于环境监测、工业安全与医疗诊断等应用至关重要。人工嗅觉系统通过构建可配置的传感分析框架，可实现对范围更广的高复杂度混合气体的检测。当前，该领域正经历范式的转变：由依赖外部处理单元的离散系统，逐步演变为集传感、存储和计算功能于一体的智能芯片架构。

多维信号采集与阵列构建是系统感知能力的基础。一方面，可在晶圆上集成不同敏感材料直接构建阵列。另一方面，FET器件固有的多维电学特性也为构建虚拟阵列提供了重要基础。随着器件技术的进步，新兴智能传感单元正逐步深化传感功能与存储、处理能力的集成。

图6 面向复杂气体分析的传感阵列、虚拟阵列与气味编码方法

图7 传感-存储-计算一体化人工嗅觉系统结构及应用示例

通过多维传感硬件、智能器件创新与传感-存储-计算一体化架构的协同发展，基于硅兼容气体传感器的人工嗅觉系统正不断突破交叉敏感瓶颈，这为其在复杂场景下实现实时、可靠、低功耗分析奠定了坚实的技术基础。

研究展望

在MEMS与FET两条技术路径并行推进的驱动下，硅兼容半导体气体传感器已成为高性能气体检测的关键平台，成功集成了微型化、低功耗和高灵敏度等核心特性。MEMS技术路线通过将微热板等微机械传感结构与硅基工艺单片集成，从根本上解决了传统传感器高功耗、可制造性差等问题，实现了具有高一致性的晶圆级生产。与此同时，FET技术路线凭借其内在的电学放大能力和场效应可调控性，在低功耗室温工作、超低检测限以及生成多参数响应特征以增强选择性方面，展现出显著优势。总体而言，这些技术正推动气体传感器从简单的换能单元演变为能够执行复杂分析的智能节点。

展望未来，硅兼容半导体气体传感器的进一步发展将聚焦于异质功能集成与片上系统智能化。同时，气体传感器的长期稳定性对其可靠性与使用寿命至关重要。随着这些瓶颈取得实质性突破，并推动新型敏感材料与硅兼容集成工艺的协同发展，气体传感器最终将演进为完全集成的智能嗅觉系统级芯片。这类芯片不仅具备高精度、多参数感知能力，还将集成轻量化人工智能算法，以实现传感—存储—计算一体化的边缘智能。这些低功耗、高可靠性的智能传感系统，将为个性化健康监测、实时环境感知、工业安全预警和物联网等前沿领域提供核心技术支撑，从而在复杂动态环境中提供精准决策与可靠服务。

论文信息：https://doi.org/10.3390/chemosensors14030070

延伸阅读：

《气体和颗粒物传感器技术及市场-2024版》

《二氧化碳气体传感器产品对比分析》

《SGX Sensortech微型MEMS催化燃烧式气体传感器MP7227产品分析》

《MEMS热式气体质量流量传感器产品对比分析-2023版》

《盛思锐气体传感器SGP40产品分析》

《盛思锐气体传感器SGP30产品分析》