Сенсорика. Современные технологии микро- и наноэлектроники

СЕНСОРИКА

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 
МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

Т.Н. Патрушева

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

   Москва 
Красноярск

 
ИНФРА-М 
СФУ

201Рекомендовано Учебно-методическим объединением 

по образованию в области радиотехники, электроники, 

биомедицинской техники и автоматизации в качестве 

учебного пособия для студентов вузов по направлению 

11.03.03 «Конструирование и технология электронных средств»

Патрушева Т.Н.

Сенсорика. Современные технологии микро- и наноэлектроники : учеб. по
собие / Т.Н. Патрушева. — М. : ИНФРА-М; Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2019. — 
260 с. — (Высшее образование: Бакалавриат). — www.dx.doi.org/10.12737/641.

ISBN 978-5-16-006376-8 (ИНФРА-М) (print)
ISBN 978-5-16-100352-7 (ИНФРА-М) (online)
ISBN 978-5-76382491-9 (СФУ)
В учебном пособии раскрывается технологический аспект сенсорики и при
водятся сведения о большом многообразии сенсоров. Отмечается важность нанотехнологического подхода к изготовлению сенсоров. Представлена информация 
о материалах химических сенсоров, их свойствах и принципах конструирования. 
Особо выделен технологический акцент получения сложнооксидных сенсоров, 
которые работают на различных принципах. Приведены примеры приборов, выпускаемых в настоящее время в промышленном масштабе. Описаны некоторые 
технологии изготовления эффективных наноразмерных сенсорных материалов, 
в том числе авторский метод приготовления оксидных (резистивных, пьезоэлектрических, магнитных) сенсорных материалов. Приведены данные, полученные 
автором по технологии изготовления сенсорных материалов.

Предназначено для студентов и аспирантов, изучающих курс «Современные 

технологии микро- и наноэлектроники», а также инженеров, специалистов 
и ученых, работающих в области технологии сенсоров.

 
УДК 621. 391(075.8)

 
ББК 32.844.я73

П 207

УДК 621. 391(075.8)
ББК 32.844.я73

П 207

© Патрушева Т.Н. , 2014
© Сибирский федеральный 
 
университет, 2014

Подписано в печать 25.09.2013 Формат 60 ×90/16. 

Бумага офсетная. Гарнитура Newton. Печать цифрова.

Усл. печ. л. 17,0. Уч.-изд. л. 17,55.

ПТ10. Цена свободная. 

TK 428400-11962-250913

ООО «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127282, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

E-mail: books@infra-m.ru        http://www.infra-m.ru

Р е ц е н з е н т ы : 
К.П. Полякова, канд. физ.-мат. наук, ст. науч. сотрудник СО РАН;
Б.Д. Гершевич, ведущий специалист ФГУП НПП «Радиосвязь»

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 4 ст. 11

ISBN 978-5-16-006376-8 (ИНФРА-М) (print)
ISBN 978-5-16-100352-7 (ИНФРА-М) (online)
ISBN 978-5-76382491-9 (СФУ)

ВВЕДЕНИЕ

Химические сенсоры — миниатюрные устройства, которые по
зволяют получать информацию о присутствии особых веществ или 
ионов в данной равновесной среде, — имеют вековую историю и быстрые темпы развития.

В начале XX в. (1880 г.) появился прообраз первого химического 

сенсора — катарометр, который использовался для определения содержания водорода в водяном паре, затем двухэлектродная ячейка 
Кольрауша (1885 г.), металлические электроды Нернста (1888 г.) истеклянный электрод Кремера (1906 г.). В 50-х гг. XX в. аналитическое 
приборостроение достигло такого уровня, что стало возможным создание проточных методов анализа. В 1952 г. Мартином и Джеймсом 
был предложен газовый хроматограф. Появилась острая необходимость в детекторах — приборах, которые позволили бы в автоматическом режиме определять концентрацию вещества впотоке газа или 
жидкости. К настоящему времени разработано огромное количество 
самых разнообразных химических сенсоров. 

Многочисленные исследования вобласти создания сенсоров исен
сорных методик обусловлены необходимостью экологического обеспечения жизнедеятельности и регулирования производственных 
процессов. При решении ряда технологических задач требуется постоянный контроль над содержанием водорода, кислорода или аммиака в атмосфере для своевременного предупреждения о приближении взрывоопасной ситуации и принятия в связи с этим соответствующих мер защиты персонала и оборудования. Датчики для 
ядовитых и огнеопасных газов все более востребованы из-за возрастающего беспокойства о безопасности человека.

Благодаря высокой чувствительности к газам и простоте в изго
товлении металлооксидные полупроводники, такие как In2O3, ZnO, 
и SnO2, являются широко распространенными чувствительными 
элементами. Полупроводниковые сенсоры на основе SnО2 (TGS) используются в основном для детектирования токсичных или взрывоопасных газов. Перспективно использование таких сенсоров в медицинских целях для анализа состава выдоха человека, а также для 
контроля технологических процессов различных производств. 

Для получения наноструктурированных, дешевых, с низким по
треблением энергии, надежных газовых датчиков на основе тонких 
пленок полупроводниковых оксидов используются различные методы. В начале XXI в. устойчивые наноструктуры полупроводниковых 
окисей с кристаллической структурой были синтезированы методом 
термического испарения. Благодаря уникальным характеристикам 

наноструктуры являются наиболее перспективными для применения 
в газовой сенсорике.

Миниатюрность и относительно небольшие размеры сенсоров 

позволяют создавать их наборы в небольшом объеме. Так, на одном 
полупроводниковом кристалле можно разместить несколько чувствительных элементов или в небольшом объеме несколько самостоятельных сенсоров. Следовательно, появилась возможность создания 
«лаборатории на чипе», снабженной микропроцессором для обработки результатов анализа.

Настоящее издание рассматривает различные виды сенсоров с ак
центом на химических сенсорах, вопросы технологии пленочных 
сенсорных материалов, микроконструирования микроэлектронных 
газоанализаторов, а также существующие датчики и их характеристики.

Пособие предназначено для студентов различных специальностей 

в области инженерной физики и радиоэлектроники, а также аспирантов, магистров, научных сотрудников и инженеров электронных 
производств. 

Автор выражает благодарность коллегам, студентам иаспирантам, 

участвующим в разработке данного учебного пособия, которые внесли вклад в теоретическое осмысление материала и его экспериментальное подтверждение: доценту кафедры электротехники СибГТУ 
Виктору Васильевичу Меньшикову и студентам кафедры ПиН 
ИИФиРЭ СФУ Федору Моторину, Александру Бычкову и Алексею 
Новикову.

1

 
ВИДЫ
СЕНСОРОВ

Существуют различные виды датчиков (сенсоров). Принципы их 

действия базируются на определенных физических или химических 
явлениях и свойствах. 

Все сенсоры можно разделить на две большие группы. 
Первая группа — химические сенсоры, к которым относятся газо
вые сенсоры, реагирующие на конкретные, специфические химические реакции. 

Вторая группа — физические сенсоры, реагирующие на такие па
раметры, как температура, давление, магнитное поле и силы, не являющиеся предметом исследования химии. 

Существует большое разнообразие сенсоров: электрохимические, 

оптические, электрические, магнитные, термометрические и чувствительные к изменению массы (рис. 1.1).

Химические сенсоры

Электро- 

химические

Потенцио
метрические

Амперомет
рические

Полевые транзис
торы

Люминесцентные

Кулонометри
ческие

Акустические 

на поверх
ностных 
волнах
Полупроводники на 

основе оксидов 

металлов

Кондуктомет
рические

Пьезометри
ческие

Органические 

полупроводники

Спектрофотометрические

Электри- 

ческие

Магнитные
Чувствительные 

к изменению 

массы

Оптические

Рис. 1.1. Виды сенсоров

Химические сенсоры — это устройства, с помощью которых можно 

получить информацию о химическом составе среды, в которую погружен датчик, без отбора анализируемой пробы и без специальной 
подготовки. Такие датчики могут работать без вмешательства оператора, так как они связаны с системами накопления и обработки информации. Химические сенсоры состоят, как правило, из трех элементов: химически чувствительного слоя, преобразователя сигнала 
и электронного блока.

Металлооксидные химические сенсоры применяются значитель
но чаще других для решения различных практических задач и вследствие большей доступности. Принцип действия таких сенсоров основан на изменении проводимости ряда широкозонных полупроводников на основе оксидов олова, цинка, титана, вольфрама, индия 
и иридия, легированных металлами с каталитическими свойствами 
(палладий, платина) при повышенной температуре в присутствии 
анализируемых газов. 

В составе сенсора полупроводниковый материал располагается 

между двумя металлическими контактами поверх резистивного нагревательного элемента, обеспечивающего рабочую температуру сенсора в диапазоне 200–400 °С. С целью снижения энергопотребления 
прибора и чрезмерных потерь на тепловыделение сенсоры формируются в минимальных габаритах с применением микроэлектронных 
технологий. На одной стороне подложки из сапфира расположен тонкопленочный платиновый нагреватель, а на другой — чувствительные 
полупроводниковые элементы и электроды. Незначительный температурный градиент между нагревателем и чувствительными слоями 
позволяет с высокой точностью поддерживать постоянную рабочую 
температуру путем стабилизации сопротивления нагревателя. Основной задачей, решаемой путем легирования оксидных материалов, 
является получение максимально достижимой специфичности по 
отношению кцелевым компонентам газовых смесей. Дополнительные 
возможности повышения селективности предоставляет правильный 
выбор операционной температуры.

Как правило, предел определения сенсоров на основе оксидных 

материалов находится в пределах 5–500 ррм. Отмечается достаточно 
высокая (помеховая) чувствительность сенсоров этого типа к парам 
воды и склонность к дрейфу базовой линии. Компенсация такого 
дрейфа, определяемого многими причинами, обеспечивается алгоритмами, закладываемыми в процессорное устройство обработки 
данных.

Металлооксидные сенсоры проявляют также склонность к отрав
лению (необратимому ингибированию) за счет летучих соединений 
серы и некоторых других органических соединений. И все же, несмотря на отмеченные недостатки, низкая стоимость и коммерческая 
доступность именно этого типа сенсоров определили в настоящее 
время его наиболее широкое распространение.

В настоящее время большое распространение получили электро
химические сенсоры. В них определяемый компонент реагирует с чувствительным слоем непосредственно на электроде или в объеме слоя 
раствора около электрода. В основу работы электрохимических сенсоров положены превращения определяемого компонента в миниатюрной электрохимической ячейке, которая генерирует аналитиче

ский сигнал. Из последних достижений в конструировании электрохимических сенсоров можно отметить создание с использованием 
планарной технологии микросенсорных батарей на основе принципа 
ионоселективного электрода для определения концентрации ионов 
водорода и калия в кровотоке работающего сердца. Такие устройства 
могут найти применение в медицине, например при хирургическом 
вмешательстве в области миокарда.

Оптические волоконные сенсоры — еще один современный тип 

сенсоров, применяемых в устройствах типа «электронный нос», использующих в качестве чувствительных элементов стеклянные микроволокна, покрытые химически активным материалом по торцу или 
боковой поверхности. Химически активный материал создается на 
основе специально подобранных или синтезированных флуоресцентных красителей, иммобилизованных в полимерной матрице. Луч 
света, распространяясь вдоль оптического волокна, производит своеобразный опрос химического покрытия. При взаимодействии с летучими компонентами запахов полярность окружения красителей 
меняется и они отвечают на стимул соответствующими изменениями 
в спектре флуоресценции.

Разрешение линий возбуждающего света и флуоресцентного от
клика сенсора обеспечивается либо чисто спектральными, либо спектрально-временными методами. Преимущество оптико-волоконных 
сенсоров (ОВС) заключается в коммерческой доступности весьма 
большого ассортимента флуоресцентных красителей, разработанных 
ранее для различных научных и технических приложений. Это дает 
в руки разработчиков широкий ассортимент покрытий и позволяет 
реализовать различные типы ОВС-приборов, К числу недостатков 
ОВС-технологии следует отнести определенную сложность приборов 
данного типа в целом: необходимость в стабилизированном источнике возбуждающего света, монохроматоре, детекторе и др., что увеличивает стоимость устройства, его энергопотребление и массогабаритные характеристики. Следует также упомянуть, что значительное 
число флуоресцентных красителей имеют ограниченное время жизни, что связано с их фотодеструкцией.

Наиболее перспективными сенсорными системами являются 

«электронные носы» и «электронные языки». Эти устройства, основанные на химических сенсорах, призваны заменить вкусовые и обонятельные рецепторы человека. «Электронный нос» может с успехом 
быть применен для оценки качества окружающего воздуха, контроля 
газовых и водных сбросов промышленных и сельскохозяйственных 
предприятий, а также для решения других многочисленных задач 
защиты окружающей среды. Еще одним применением «электронного 
носа» могут стать системы ранней пожарной сигнализации, работающие по принципу обнаружения летучих продуктов возгорания, 

системы автоматизированного контроля безопасности сложных и техногенно опасных производств (предприятия атомной промышленности и др.). Отдельно следует упомянуть также разработку на принципах «электронного носа» систем обнаружения установленных мин 
и других боеприпасов, а также систем выявления процессов старения 
боеголовок и снарядов. 

Использование полимерных сенсоров вустройствах «электронный 

нос», так же как и для металлооксидных сенсоров, основано на широком применении микроэлектронных технологий (изготовление 
электродных подложек с зазорами между отдельными электродами 
10–20 мкм и др.). 

Для создания «электронного носа» одним из перспективных на
правлений является совокупность нанокомпозиционных материалов 
с различным химическим составом. Композиты с полимерной матрицей могут быть синтезированы с использованием различных наполнителей. Изменение вида наполнителя, его концентрации, толщины пленки обеспечивает требуемый спектр сенсорных свойств, 
а именно — селективности и чувствительности к различным газам. 
Изменение концентрации металла в композите существенно меняет 
морфологию пленки, а следовательно, и ее чувствительность к газам. 
Структура чувствительного элемента наносенсора приведена на 
рис. 1.2.

Рис. 1.2. Структура чувствительного элемента наносенсора

Разновидностью химических сенсоров являются биосенсоры. Они 

представляют собой комбинированное устройство, состоящее из 
биохимически или биологически активного компонента (биокомпонента) и электронного преобразователя. В качестве биокомпонента 
нашли применение ферменты, антитела, антигены, микроорганизмы, 
биологические мембраны, а в качестве преобразователя — электроды, 
полевые транзисторы, термисторы и др. Основная область применения биосенсоров — это анализ различных жидких объектов в медицине, биотехнологии, пищевой и химической промышленности. 
Недостатки биосенсоров: невысокая стабильность; трудность получения биоорганических материалов постоянного состава; чувствительность к действию высоких и низких температур; бактерицидных 
загрязнений и др.

Физические сенсоры — это устройства, использующие физические 

явления для детектирования изменений вокружающем пространстве. 
К ним относятся пьезосенсоры, ПАВ-сенсоры, а также микроэлектронные сенсоры.

Пьезосенсоры или сенсоры на основе измерений приращения мас
сы составляют семейство пьезоэлектрических сенсоров. Как и семейство сенсоров, основанных на измерениях проводимости, они 
разделяется на два подвида: кварцевые кристаллические микровесы 
(ККМ) и сенсоры на поверхностных акустических волнах (ПАВ). При 
экспозиции сенсоров в парах или газах последние адсорбируются на 
поверхности полимерного покрытия. Последующая экспозиция кристалла в газе, не содержащем молекул пахучего вещества, возвращает 
резонансную частоту к первоначальному уровню.

Адаптация ККМ к специальным техническим приложениям до
стигается, как правило, применением специального полимерного 
покрытия. Значительное облегчение данной задачи дает применение 
известных селективных фаз, применяемых в газовой хроматографии. 
Рассматриваются отдельные предложения по использованию в качестве сорбирующей фазы, например для выявления паров взрывчатых веществ, специфических антител. Известны положительные 
результаты исследований военных специалистов по созданию 
устройств обнаружения следовых количеств токсических и отравляющих веществ с пределом обнаружения на уровне 1 пг. Отмечается 
характерная особенность ККМ, связанная с линейностью калибровочной кривой в широком динамическом диапазоне. Время отклика 
и время восстановления селективных резонансных структур минимизируется путем уменьшения как размеров и массы кристалла кварца, так и толщины сорбционного слоя. Следует отметить достаточно 
общее свойство всех приборов, в которых разработчики активно применяют микроэлектронные технологии при изготовлении датчиков.

Действительно, при переходе к субмикронному уровню изготов
ления элементов измерительных устройств отношение поверхность/
объем увеличивается, при этом в устройства вносятся определенные 
нестабильности, ухудшающие соотношение сигнал/шум и вконечном 
счете снижающие точность измерений. Данная закономерность справедлива практически для всех типов устройств, изготавливаемых 
с высокой степенью микроминиатюризации.

ПАВ-сенсоры являются ближайшими «родственниками» сенсоров, 

изготовленных по ККМ-технологии. Поверхностными акустическими волнами, как следует из определения, называются волны, распространяющиеся по поверхности устройства, не проникая в объем. ПАВ 
оперируют при значительно более высоких, чем ККМ, частотах (типичные ПАВ работают при частоте в сотни МГц). При этом ПАВ 

могут генерировать значительно большие изменения частоты регистрируемого сигнала.

Будучи планарными по своей природе, ПАВ реализуются с при
менением современных фотолитографических технологий, развитых 
в микроэлектронике. Это определяет технологические и стоимостные 
преимущества ПАВ по отношению к другим типам сенсоров, особенно в тех случаях, когда линейка сенсоров в составе «электронного 
носа» должна быть по условиям решаемой практической задачи достаточно представительной.

Селективность сенсорам, изготавливаемым по ПАВ-технологиям, 

придается (так же как и сенсорам в технологии ККМ) с помощью 
специальных полимерных покрытий. Дифференциальный способ 
измерений позволяет избавиться от систематических ошибок, вносимых изменениями влажности, температуры и др. Например, два 
близкорасположенных ПАВ-сенсора, один из которых имеет специальное полимерное покрытие, одинаково реагируют на изменение 
температуры, что позволяет в разностном сигнале автоматически 
учесть ее влияние.

Определенным недостатком модификаций сенсоров, построенных 

на измерении приращения массы (ККМ и ПАВ), является более 
сложная схемотехническая реализация по сравнению с сенсорами 
проводимости, однако зачастую этот недостаток искупается более 
низким пределом обнаружения целевых компонент запахов. «Старение» чувствительных мембран (активных зон сенсоров) также представляет определенную техническую проблему, решение которой 
достигается программными методами, обеспечивающими своевременную подстройку прибора.

Сенсоры на основе каталитических полевых транзисторов (МОКПТ) 

включают чувствительные к запахам металлооксид-кремниевые полевые транзисторы (МОКПТ), в основу работы которых положены 
химические реакции летучих органических соединений в активной 
зоне сенсора, ускоряемые каталитически активными металлами. 
Подвижные продукты реакции, диффундируя через затвор МОКПТ, 
изменяют электрические параметры транзистора, что и приводит 
к возникновению усиленного аналитического сигнала. Типичная 
МОКПТ-структура включает полупроводниковую структуру р-типа 
с двумя n-легированными областями и металлическими контактами. 
Чувствительность и селективность прибора обеспечивается варьированием толщины активной зоны и типа катализаторов, а также 
подбором операционных температур, при которых функционируют 
элементы системы. Один из недостатков МОКПТ-сенсоров напрямую 
связан с принципом их функционирования, в соответствие с которым 
продукт каталитической реакции (например, водород) должен продиффундировать через каталитически активный слой, чтобы воздей