Основы микросенсорики

Ю. А. Родионов 
ОСНОВЫ  
МИКРОСЕНСОРИКИ 
Учебное пособие 
Допущено Министерством образования Республики Беларусь 
в качестве учебного пособия для студентов учреждений высшего 
образования по специальностям «Микро- и наноэлектронные технологии 
и системы», «Квантовые информационные системы» 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2019 

УДК 681.586(075.8) 
ББК  32.965-04я73 
          Р60 
 
 
Рецензенты: 
кафедра физики твёрдого тела 
Белорусского государственного университета; 
начальник управления «Микромеханика» 
ОАО «Минский НИИ радиоматериалов» 
кандидат технических наук, доцент 
И. А. Таратын 
 
 
 
Родионов Ю. А. 
Р60 
 
Основы микросенсорики : учебное пособие / Ю. А. Родионов. - 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2019. - 288 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-0336-8 
 
Рассмотрены основные твердотельные датчики, применяемые преимущественно в наукоемких областях (точная механика и оптика, микро- и наноэлектроника, атомная энергетика, военное дело): датчики на основе гальваномагнитных эффектов, датчики давления, температуры и теплового излучения, скорости 
и ускорения, газоанализаторы, датчики влажности, изображения, детекторы радиоактивного излучения, актюаторы и сенсоры вакуумно-плазменных технологий, обеспечивающие высокое качество продукции при изготовлении указанных 
датчиков.  
Для студентов, обучающихся по специальности 11.00.00 «Электроника, 
радиотехника и системы связи», а также инженеров, занятых проектированием и 
обслуживанием электронных приборов. 
УДК 681.586(075.8) 
ББК 32.965-04я73 
 
Приложения к книге доступны для скачивания на сайте издательства «Инфра-Инженерия» 
www.infra-e.ru. 
 
 
ISBN 978-5-9729-0336-8 
” Родионов Ю. А., 2019 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2019 
2


СОДЕРЖАНИЕ 
ВВЕДЕНИЕ .................................................................................................................. 7 
1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
............................................................................. 9
2. ЭЛЕМЕНТЫ МЕТРОЛОГИИ .............................................................................. 14
2.1. Систематические и случайные погрешности ............................................ 14 
2.2. Основные методы построения градуировочных графиков 
....................... 15 
2.3. Электрические схемы формирования выходного сигнала пассивных 
 сенсоров ....................................................................................................... 17 
2.3.1. Потенциометрическая схема͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘18
2.3.2. Мостовая схема͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘20
2.4. Статический и динамический режимы работы сенсоров.......................... 23 
3. ДАТЧИКИ НА ОСНОВЕ ГАЛЬВАНОМАГНИТНЫХ ЭФФЕКТОВ 
................. 27
3.1. Датчики магнитного поля на основе эффекта Холла ................................ 27 
3.1.1. Пленочные датчики Холла
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘32
3.1.2. Кремниевые интегральные датчики Холла
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘36
3.2. Магниторезистивные преобразователи 
...................................................... 39 
3.2.1. Магниторезистивный эффект͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘39
3.2.2. Конструкции магниторезисторов͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘40
3.2.3. Параметры магниторезисторов͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘41
3.3. Гальваномагнитные преобразователи на активных элементах ................ 42 
3.3.1. Магнитодиоды͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘42
3.3.2. Магнитотранзисторы͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘44
3.4. Гальваномагниторекомбинационные преобразователи 
............................ 45 
3.4.1. Гальваномагниторекомбинационный (ГМР) эффект
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘45
3.4.2. Гальваномагниторекомбинационный преобразователь (ГМРП)
͘͘͘49
3.4.3. Кремниевые интегральные ГМРП
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘50
3.5. Магниточувствительные интегральные схемы ......................................... 52 
3.5.1. Магнитокоммутируемые ИС на основе эффекта Холла͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘52
4. ДАТЧИКИ ДАВЛЕНИЯ 
............................................................................................. 56
4.1. Общие понятия о давлении 
......................................................................... 56 
4.2. Тензорезистивный эффект в полупроводниках 
......................................... 57 
4.3. Первичные тензопреобразователи.............................................................. 58 
4.4. Классификация интегральных тензопреобразователей давления ............ 61 
4.4.1. Пути интеграции тензопреобразователей͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘61
4.4.2. Классификация структур интегральных  
          тензопреобразователей͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘64
4.4.3. Технологические этапы изготовления интегральных  
          тензопреобразователей͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘66
3

4.5. Принципы размещения тензорезисторов на мембранах  
 полупроводниковых и интегральных тензопреобразователей  
 давления 
....................................................................................................... 68 
5. ДАТЧИКИ ТЕМПЕРАТУРЫ И ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
......................... 70 
5.1. Терморезистивные датчики 
....................................................................... 76 
5.1.1. Резистивные детекторы температуры 
.............................................. 76 
5.1.2. Кремниевые резистивные датчики͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘78
5.1.3. Термисторы͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘79
5.2. Термоэлектрические контактные датчики .............................................. 81 
5.3. Полупроводниковые датчики температуры на основе p-n-перехода 
....... 98 
5.4. Детекторы ИК-излучения 
........................................................................ 100 
5.4.1. Детекторы излучений на основе термоэлементов
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘100 
5.4.2. Пироэлектрические датчики ИК-излучений͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘102 
5.4.3. Болометры͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘113 
6. ДАТЧИКИ СКОРОСТИ И УСКОРЕНИЯ ........................................................ 115 
6.1. Акселерометры ......................................................................................... 116 
6.1.1. Емкостной акселерометр͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘117
6.1.2. Пьезорезистивные акселерометры͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘119
6.1.3. Пьезоэлектрические акселерометры
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘120
6.1.4. Тепловые акселерометры͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘124
6.1.5. Акселерометры с нагреваемым газом͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘125
6.2. Гироскопы 
................................................................................................. 126 
6.2.1. Роторный гироскоп͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘127
6.2.2. Вибрационные гироскопы͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘129
6.2.3. Оптические гироскопы͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘136
7. ГАЗОАНАЛИЗАТОРЫ 
....................................................................................... 142 
7.1. Адсорбция на поверхности твердых тел 
................................................ 142 
7.1.1. Роль электронов и дырок при адсорбции͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘143
7.1.2. Взаимодействие поверхности с объемом
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘145
7.1.3. Химические реакции на поверхности полупроводников͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘147
7.2. Датчики на основе окислов металлов .................................................... 151 
7.3. Датчики на органических полупроводниках 
......................................... 152 
7.4. Каталитические датчики 
.......................................................................... 152 
7.5. Электрохимические газовые датчики .................................................... 154 
7.6. Датчики на основе МДП-структур ......................................................... 155 
7.7. Газовые датчики с барьером Шоттки..................................................... 159 
7.8. Газовые датчики на основе приборов, чувствительных к изменению 
 массы ......................................................................................................... 160 
8. ДАТЧИКИ ВЛАЖНОСТИ ................................................................................. 163 
8.1. Единицы измерения влажности 
.............................................................. 163 
8.2. Температурно-градиентные датчики влажности .................................. 164 
8.2.1. Психрометрические датчики
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘164
4


8.2.2. Конденсационные датчики͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘165
8.3. Сорбционные датчики влажности .......................................................... 169 
8.3.1. Кулонометрические датчики͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘169
8.3.2. Сорбционно-импедансные датчики͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘171
8.3.3. Пьезосорбционные датчики͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘177
9. ДАТЧИКИ ИЗОБРАЖЕНИЯ ............................................................................. 178 
9.1. Физические основы принципов работы полупроводниковых  
 датчиков изображения ............................................................................. 178 
9.2. Составляющие элементы датчиков изображения 
................................. 181 
9.2.1. Пиксель͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘181
9.2.2. Фотодиод
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘181
9.2.3. ПЗС-структура͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘182
9.3. Виды полупроводниковых датчиков изображения и их основные 
 функции 
..................................................................................................... 183 
9.3.1. Основные функции полупроводниковых датчиков  
          изображения͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘183
9.3.2. Устройство ПЗС-матрицы͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘183
9.3.3. Устройство КМОП-матрицы͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘185
9.4. Особенности конструкций полупроводниковых датчиков  
 изображения 
.............................................................................................. 187 
9.4.1. Получение цветного изображения͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘187
9.4.2. Трехматричные системы͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘188
9.4.3. Матрицы с мозаичными фильтрами͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘188
9.4.4. Матрицы с полноцветными пикселями͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘190
9.5. Микролинзы 
.............................................................................................. 191 
9.6. Датчики изображения с обратной засветкой 
......................................... 193 
9.7. Организация переноса кадра в ПЗС-матрицах 
...................................... 194 
9.7.1. Полнокадровая матрица
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘194
9.7.2. Матрицы с буферизацией кадра
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘194
9.7.3. Матрицы с буферизацией столбцов
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘195
9.8. Преимущество и недостатки КМОП перед ПЗС-матрицами .............. 195 
10. ДЕТЕКТОРЫ РАДИОАКТИВНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ 
..................................... 198 
10.1. Сцинтилляционные детекторы ............................................................. 202 
10.2. Ионизационные детекторы ................................................................... 205 
10.2.1. Ионизационные камеры͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘205
10.2.2. Пропорциональные камеры͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘206
10.2.3. Счетчики Гейгера – Мюллера
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘207
10.2.4. Полупроводниковые детекторы радиоактивности͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘208
10.2.5. Принципы работы, материалы и конструкции 
            полупроводниковых детекторов радиоактивного излучения
͘͘͘͘͘211
5

11. АКТЮАТОРЫ ................................................................................................... 218 
11.1. Интегральные микрозеркала с электростатической активацией ...... 222 
11.2. Волоконно-оптические переключатели 
............................................... 224 
11.3. Матрицы микрозеркал на кремниевом чипе ....................................... 227 
12. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ В МИКРОСЕНСОРИКЕ 
................ 231 
12.1. Графен и его структурные особенности .............................................. 231 
12.2. Газоанализаторы на основе графена .................................................... 236 
12.2.1. Газочувствительность пленок графена на полуизолирующем  
            SiC к NO2 и парам C2H5OH͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘238
12.2.2. Датчики на основе взаимодействия графена с аналитами͘͘͘͘240
13. ДАТЧИКИ В ВАКУУМНО-ПЛАЗМЕННОЙ ТЕХНИКЕ И  
      ТЕХНОЛОГИИ 
................................................................................................... 241 
13.1. Вакуумные датчики................................................................................ 241 
13.1.1. Классификация датчиков и методы измерения вакуума
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘241
13.1.2. Тепловые датчики͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘244
13.1.3. Ионизационные датчики͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘246
13.1.4. Баратроны͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘249
13.1.5. Течеискание͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘251
13.2. Кварцевый датчик измерения толщины пленок в процессе  
   создания 
................................................................................................... 265 
13.2.1. Пьзоэлектрический эффект .............................................................. 265 
13.2.2. Пьезоэлементы на основе кварца
͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘268
13.2.3. Резонансная частота кварца͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘270
13.2.4. Метод измерения масс͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘273
13.2.5. Кварцевый сенсор͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘͘274 
13.3. Кварцевый датчик измерения толщины пленок в процессе  
   создания 
................................................................................................... 265 
ЛИТЕРАТУРА ......................................................................................................... 286 
ПРИЛОЖЕНИЯ https://infra-e.ru/products/basicsofmikrosensorik 
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Основные законы физики 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Упрощенный маршрут изготовления твердотельного  
акселерометра 
 
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Упрощенный техпроцесс изготовления твердотельного  
гироскопа  
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Основные биологические сенсоры человека 
ПРИЛОЖЕНИЕ 5. Упрощенная пошаговая компоновка конструкции  
гироскопического стабилизатора 
 



6


 
ВВЕДЕНИЕ 
Научно-технический прогресс абсолютно во всех сферах жизнедеятельности человека невозможен без практических измерений параметров процессов, 
определяющих эту деятельность. В современных условиях, как правило, это осуществляется автоматизированными системами контроля, измерения и управления. 
При этом определяющим элементом таких систем является первичный датчик. 
Номенклатура датчиков постоянно расширяется. Охватить все виды существующих датчиков практически невозможно. Поэтому, с учетом специфики специальности «Микро- и наноэлектронные технологии и системы», в данном учебном пособии рассматриваются только датчики, практически реализуемые базовыми технологическими процессами микро- и наноэлектроники (создание диэлектрических 
пленок высоко- и низкотемпературными методами, формирование разного типа 
проводимости полупроводниковых слоев, вакуумно-плазменные технологии создания проводящих слоев разного рода микролитографиями, элементами пленочной и гибридной технологии). 
Одной из основных задач датчиков и систем на их основе является исключение человеческого фактора, зачастую приводящего к опасным ситуациям и катастрофам (утечка отравляющих веществ, Чернобыль, Фукусима и т. д.). Датчики также позволяют нам облегчить жизнь (автопилот, охранная сигнализация, 
распознавание образов). 
Как правило, практически все датчики работают на принципах, хорошо известных из курсов физики и химии средней школы. Однако это не означает, что 
в практической реализации датчика все предельно просто. Это большое заблуждение. От общеизвестного принципа работы до практической реализации надежно и точно работающей конструкции требуются большие интеллектуальные 
нагрузки в решении конструктивно-технологических проблем разработчика  
и производителя современного датчика . В реальной эксплуатации к датчику 
предъявляются очень жесткие требования (высокая точность и информативность 
по основному сигналу в поле сильных помех самого разнообразного характера, 
долговечность, технологичность производства на доступном оборудовании, материалы, себестоимость). 
Понятие «датчик» сегодня уже не то, что было буквально несколько лет 
назад. Для освоения современного датчика на должном уровне специалист должен хорошо знать не только основные законы физики, но и электрофизические 
свойства простых и сложных полупроводников, основные микроэлектронные 
технологии, совместимость этих технологий с применяемыми материалами. 
Поэтому целью данного учетного пособия является рассмотрение общеизвестных физических принципов со спецификой их использования в реальном 
датчике, конкретизация имеющихся знаний о метрологии при измерении слабых 
7


неэлектрических сигналов, рассмотрение современных конструкций датчиков  
и приемов их реализации в едином технологическом цикле. 
Наука, занимающаяся разработкой первичных преобразователей и схем 
обработки, полученных от них сигналов в микроэлектронном исполнении, получила название микроэлектронной сенсорики. Наиболее амбициозной задачей современной микросенсорики является достижение того совершенства датчиков  
и сенсорных устройств, которое заложила природа в биологические объекты, 
например в человека. Одной из основных задач микроэлектронной сенсорики 
является изучение влияния на полупроводниковые структуры различных требуемых внешних воздействий и при этом минимизация паразитного влияния внешних факторов, которые мы называем помехами. К сожалению, бурный рост технического прогресса попутно порождает огромное количество электрических 
помех, которые мы называем электромагнитным «мусором». На фоне этого 
мощного «мусора» очень сложно выделить как правило очень слабый сигнал  
от нашего датчика. С другой стороны, эти трудности в решении практических 
задач способствуют повышению нашего интеллекта и делают нашу работу в области изучения датчиков очень привлекательной и интересной. 
 
 
8


 
1. ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ 
Современные средства измерения обычно представляют собой электронные устройства, приборы или многоканальные системы для измерений различных физических величин, которые с помощью датчиков преобразуются в электрический сигнал. Преобразование физических величин в электрический сигнал 
обеспечивает и упрощает дальнейшую передачу и обработку измерительной информации с помощью электронных устройств. Это позволяет повысить точность 
и быстродействие измерений, обрабатывать данные в ЭВМ в реальном масштабе 
времени и выводить результаты на современные средства отображения и записи 
информации (дисплеи, цифропечатающие устройства, самописцы, графопостроители и магнитные носители записи). 
По типу информативных параметров входной и выходной величин электронные преобразователи подразделяются на три класса: 
1)преобразователи электрических величин в электрический сигнал 
(например, электроды, усилители, АЦП); 
2)преобразователи электрических величин в неэлектрические величины 
(например, светодиоды, электронагреватели или охладители, электродвигатели, электрогенераторы химических веществ - так называемые 
обратные преобразователи или актюаторы); 
3)преобразователи неэлектрических величин в электрический сигнал 
(например, термопары, тензорезисторы, фототранзисторы и другие 
чувствительные элементы датчиков). 
В измерительных системах преобразование обычно осуществляется последовательно соединенными преобразователями, которые образуют измерительный 
канал. Первый преобразователь в измерительном канале, который непосредственно взаимодействует с объектом измерения, называется первичным измерительным 
преобразователем (ПИП), а последующие преобразователи - вторичными измерительными преобразователями (ВИП). Эти понятия отражают структурнофункциональные свойства устройств, т. е. их место и роль в измерительном канале. 
Электронный датчик - конструктивно законченное средство измерения, 
способное преобразовывать одну или несколько физических величин в электрический сигнал для последующих преобразований, передачи, обработки и отображения измерительной информации, но не дающее пользователю возможность 
непосредственно получить количественные данные об измеряемой величине.  
По принципу работы ПИП и датчики могут быть параметрического или генераторного типа (с подведением дополнительной электроэнергии и без ее подведения). В параметрических ПИП изменение входной величины приводит к изменению электрического сопротивления, емкости или индуктивности преобразователя. 
9


К числу таких относятся терморезисторы, тензоконденсаторы, фоторезисторы.  
В преобразователях генераторного типа выходными величинами являются 
напряжение и ток, значения которых непосредственно (без подведения электроэнергии) изменяются под действием входной величины (например, термопара, 
фотодиод). 
Если преобразователь или датчик изготавливается с использованием микро- 
и/или нанотехнологий, в том числе и технологий интегральных микросхем, то его 
обычно называют микроэлектронным (МЭД). 
Микроэлектронные преобразователи или датчики могут состоять из одно- 
го элемента (дискретные МЭД) или из нескольких (интегральные МЭД).  
Интегральные МЭД по конструктивно-технологическому признаку можно разделить на полупроводниковые, пленочные, гибридно-пленочные и микросборки. 
По структурно-функциональной сложности среди интегральных МЭД условно 
можно выделить простые и сложные. 
Простые интегральные датчики (ИД) содержат, как правило, один чувствительный элемент (ПИП) и простейшие элементы вторичного преобразования 
(мостовые схемы, преобразователи сопротивления, предусилители). Простые ИД 
можно отнести к разряду интегральных микросхем (ИМС) низкой и средней степени интеграции. 
Сложные ИД могут содержать несколько чувствительных элементов,  
различные элементы вторичного преобразования (усилители, коммутаторы,  
преобразователи напряжение - частота, АЦП и др.), устройства обработки  
и хранения данных (компараторы, счетчики, сумматоры, перемножители, схемы 
памяти, процессоры) и актюаторные элементы. Сложные ИД с большим количеством однородных чувствительных элементов (микрополосковые координатночувствительне датчики, фотоприемные матрицы) называют датчиками матричного типа. Сложные ИД, способные выполнять функции измерения и контроля нескольких физических величин одновременно, автоматического переключения каналов, автоматической коррекции систематических погрешностей, адаптации  
к изменению эксплуатационных условий, вычислений, сравнений, принятия решений и формирования соответствующих сигналов, называют интеллектуальными датчиками. Сложные ИД относятся к разряду ИМС средней и высокой степени 
интеграции (СИС, БИС и СБИС). Обобщенная структурно-функциональная схема 
сложного интегрального датчика представлена на рис.1.1. Пользуясь стандартной терминологией для ИМС, физически разделимые составные части датчика 
называют компонентами датчика (кристалл, керамическая подложка, основа корпуса, крышка корпуса, выводы), а физически неотделимые от полупроводникового кристалла части датчика называют элементами кристалла датчика (например, 
диффузионный резистор, биполярный или МДП-транзисторы, кремниевые мембраны и балки). 
 
 
10