Технология тонкопленочных твердотельных сенсоров

Министерство науки и высшего образования  

Российской Федерации 

Уральский федеральный университет  

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

В. Ф. Марков, Л. Н. Маскаева

Технология тонкопленочных 

твердотельных сенсоров

Учебное пособие

Под общей редакцией доктора химических наук,  

профессора В. Ф. Маркова 

Рекомендовано методическим советом 

Уральского федерального университета для студентов вуза,  

обучающихся по направлениям подготовки 
18.03.01, 18.04.01 — Химическая технология

Екатеринбург 

Издательство Уральского университета 

2019 

УДК 543:621.382.049.774(075.8) 
ББК 34.7я73+32.853я73 
         М26 

Рецензенты: М. Г. Зуев, д‑р хим. наук, проф., главный науч. сотрудник Института химии твердого тела УрО РАН; А. В. Шнайдер, канд. техн. наук, начальник каф. пожарной автоматики Уральского института ГПС МЧС России, подполковник внутр. службы 

М26

Марков, В. Ф.
Технология тонкопленочных твердотельных сенсоров: учеб. пособие / В. Ф. Марков, Л. Н. Маскаева ; [под общ. ред. д‑ра хим. наук, проф. 
В. Ф. Маркова] ; Мин‑во науки и высш. образования РФ. — Екатеринбург : Изд‑во Урал. ун‑та, 2019. — 148 с.
ISBN 978‑5‑7996‑2769‑0

В учебном пособии даны характеристики и рассмотрены технологические приемы получения тонкопленочных твердотельных сенсоров, их конструкционные особенности, основные параметры, назначение и области их применения. Особое внимание уделено оптическим датчиками и химическим сенсорам, их характеристикам 
и основным преимуществам. Представлены общие положения и законы распространения ИК‑излучения. Рассмотрено использование наноструктурных материалов для 
создания фотодетекторов и сенсоров различного назначения.

Пособие предназначено студентам высших учебных заведений, обучающимся по направлениям подготовки 18.03.01 и 18.04.01 «Химическая технология». Оно может быть 
также полезно аспирантам и преподавателям вузов материаловедческих специальностей.

Библиогр.: 21 назв. Рис. 73. Табл. 7.

_____________________

Учебное издание

Марков Вячеслав Филиппович 
Маскаева Лариса Николаевна 

ТЕХНОЛОГИЯ ТОНКОПЛЕНОЧНЫХ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СЕНСОРОВ

Подписано в печать 04.12.2019. Формат 60×84 1/16. Цифровая печать.  

Усл. печ. л. 8,6. Уч.‑изд. л. 7,2. Тираж 50 экз. Заказ 352.

Издательство Уральского университета 

Редакционно‑издательский отдел ИПЦ УрФУ 

620049, Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 5 

Тел.: 8 (343) 375‑48‑25, 375‑46‑85, 374‑19‑41; е‑mail: rio@urfu.ru 

Отпечатано в Издательско‑полиграфическом центре УрФУ 

620083, Екатеринбург, ул. Тургенева, 4 

Тел.: 8 (343) 358‑93‑06, 350‑58‑20, 350‑90‑13; факс: 8 (343) 358‑93‑06 

http://print.urfu.ru

ISBN 978‑5‑7996‑2769‑0
© Уральский федеральный университет, 2019

Введение

S

ensus (лат.) — «чувство», «ощущение». Человек имеет пять 
основных органов чувств: зрение, слух, осязание, обоняние и вкус. Насколько они совершенны, и достаточны ли 

для современной жизни? Так, глаз человека воспринимает солнечный свет в диапазоне 0,40÷0,76 мкм. Это ничтожно малый участок 
в интервале электромагнитного спектра от 10–5 мкм до 10 9 мкм. 
В то же время в этом диапазоне глаз различает от 5 до 10 млн оттенков цвета, а в полной темноте способен даже фиксировать единичные фотоны. Воспринимаемый человеком диапазон звуковых 
частот составляет 16–20000 Гц. У некоторых животных этот интервал значительно шире. И опять восприятие звука очень дифференцировано: в этом диапазоне ухо различает 3–4 тыс. звуковых 
тонов по их высоте. Что касается чувствительности носа человека к некоторым запахам, то она может быть относительно высокой, но при этом очень субъективной. То же относится к осязанию и особенно к восприятию вкуса. Чувствительность может 
быть сильно изменена в результате длительного действия (закаливание, тренировка). При этом восприятие запаха, тактильная 
чувствительность подчиняются нелинейному по своей сути закону Вебера‑Фехнера (оценка раздражителя нелинейно связана с его 
силой). У человека существует жизненная потребность значительного расширения диапазонов восприятия действия окружающих 
его физических факторов, особенно волнового излучения, а также 
повышения уровня чувствительности и надежности восприятия. 
Эту задачу выполняют различные сенсоры, датчики, детекторы. 
Считается также, что знания, не имеющие количественной оценки, теряют свою ценность. Из существующих используемых датчиков особую перспективу имеют приборы, изготовленные в тонкопленочном исполнении. Это связано как с характерной для них 

Введение

в большинстве случаев высокой чувствительностью, так и возможностью снижения коммерческой стоимости за счет использования 
разработанных микроэлектронных технологий, отличающихся высокой тиражностью производства.

Понятие «тонкая пленка» обозначает слой толщиной не более 

2–3 мкм. Тонкие пленки сегодня являются основой современной 
микроэлектроники и широко используются в полупроводниковых, гибридных и совмещенных интегральных микросхемах для 
создания проводящих поверхностей, различных функциональных 
элементов, изоляции между элементами и проводниками. Помимо необходимых электрофизических параметров, от них требуется хорошая адгезия (прочность связи с материалом подложки). 
Тонкие пленки различных полупроводниковых, а также некоторых диэлектрических материалов являются во многих случаях основой современных сенсорных элементов и всевозможных датчиков физических воздействий. Технологии изготовления датчиков 
чаще всего определяются известными способами получения полупроводниковых материалов. В их основе лежат химические или 
физические процессы кристаллизации, вакуумного нанесения, 
различных видов эпитаксии, химического осаждения.

Настоящее учебное пособие призвано дать краткое описание 

основных понятий и свойств, предъявляемых к тонкопленочным 
сенсорам, их классификации, конструктивных особенностей, технологических приемов, используемых для их изготовления, областей применения. Особое внимание уделено оптическим датчиками и химическим сенсорам, их преимуществам в использовании. 
В пособии рассмотрено использование наноматериалов для создания высокочувствительных сенсоров различного назначения.

Книга является универсальным пособием как для студентов 

и аспирантов, специализирующихся в области физико‑химических технологий материалов электронной техники, так и для научных сотрудников, работа которых связана с получением и исследованием тонкопленочных функциональных материалов для 
микрои оптоэлектроники.

1.1. Функции и классификация  датчиков и сенсоров

Глава 1. Основные понятия 

и определения

1.1. Функции и классификация  

датчиков и сенсоров

Т

ермины «сенсор» и «датчик» считаются по своему основному содержанию словами‑синонимами (датчик — это 
фактически калька с англоязычного термина sensor). Согласно ГОСТ Р 51086–97 РФ, датчик — это конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, на который 
непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, представляющий собой техническое средство с нормируемыми характеристиками, служащее для преобразования измеряемой 
величины в другую величину, или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, индикации, передачи, дальнейших 
преобразований. Первичный измерительный преобразователь является, по сути, первым преобразователем в измерительной цепи 
измерительного прибора. Датчики — это устройства, регистрирующие и измеряющие сигнал. Примером простейшего датчика может служить ртутный термометр. В качестве чувствительного элемента используется ртуть, температурная шкала исполняет 
роль сигнализатора, а объектом наблюдения является температура. Таким образом, датчик — это непосредственно компонент измерительной системы.

Иногда в технической литературе делаются различия между понятием датчика и сенсора. В этом случае под сенсором понимается устройство, способное преобразовать изменения, произошедшие в объекте наблюдения в информационный сигнал. При этом 
классификация сенсоров по назначению эквивалентна такой же 

Глава 1. Основные понятия и определения

классификации датчиков. При измерении сенсорами и датчиками 
одной и той же величины датчики будут просто демонстрировать 
данные, а сенсоры еще и преобразовывать их в информационный 
сигнал. В определенном смысле сенсор может трактоваться как 
улучшенный датчик, поскольку его структура может содержать узел 
обработки информации. В свою очередь, детекторы сигнал только обнаруживают. Детектор не обязан (хотя и может) выдавать информацию о величине сигнала, для датчика это основная функция.

Техника конструирования и применения датчиков развилась 

в самостоятельную ветвь измерительной техники — сенсорику. 
Она дополняет и расширяет возможности чувств и ощущений человека. Без современных датчиков невозможен прогресс техники, 
науки, общества; невозможен контроль технологических процессов, качества продукции, состояния здоровья, окружающей среды.

Существует ряд основных требований, предъявляемых к современным датчикам:

— однозначная зависимость выходной величины от входной;
— высокий уровень чувствительности;
— избирательность;
— воспроизводимость показаний независимо от времени использования;

— надежность;
— небольшие размеры и малая масса;
— отсутствие воздействия датчика на контролируемый процесс;

— совместимость с другими устройствами;
— невысокая стоимость и доступность.
Все датчики, использующие различные технологические решения, можно разделить на несколько категорий. Одной из удобных 
классификаций служит назначение устройства:

— датчики присутствия и движения;
— датчики положения, перемещения и уровня;
— датчики скорости и ускорения;
— датчики силы;
— датчики давления;

1.1. Функции и классификация датчиков и сенсоров 

— расходомеры;
— акустические датчики;
— датчики влажности;
— оптические датчики;
— датчики температуры;
— химические и биологические датчики обнаружения и определения содержания химических элементов и веществ.
Сигнал, как правило, имеет электрическую природу. Это заряд, ток, падение напряжения, электрическое сопротивление, емкость и т. д.
Датчик устанавливает коррелирующую зависимость между величиной сигнала и изменяющейся физической величиной: S = f(m). 
Измеряя S, можно определить m.

m
S
датчик

Зависимость между S и m устанавливается экспериментально 
в результате градуировки S по известным значениям m (рис. 1.1).

 
а 
 
 
б 
 
      в

m

τ

S

τ

S

S1

S2

Si

m1
mi
m2
m

Рис. 1.1. Коррелирующая зависимость между величиной сигнала 
S и изменяющейся физической величиной m 
с последующей градуировкой значений:

а — изменение физической величины во времени; б — изменение сигнала; 
в — градуировочная зависимость

При градуировке датчика стараются найти линейную зависимость 
между S и m. По ней определяют значение физического параметра.

Глава 1. Основные понятия и определения

Датчик в своем составе может иметь вторичный преобразователь первичной информации, осуществляющий предварительную 
обработку сигнала или усилитель отклика.

Важной проблемой при использовании датчиков является обеспечение постоянства чувствительности, которая должна как 
можно меньше зависеть от поведения m, частоты ее изменения, 
от времени измерения, от воздействия других физических величин, т. е. датчик должен иметь максимально возможную избирательность.

С точки зрения вида сигнала на его выходе датчик может быть 

активным (генераторным), выдающим заряд q, падение напряжения U или величину тока I, либо пассивным (параметрическим) 
с выходными значениями электрического сопротивления R, емкости C, индуктивности L, изменяющимися соответственно входной величине.

Под сигналом в общем случае подразумевают материальный 

носитель информации. Различают непрерывную и дискретную 
форму сигнала. Непрерывная имеет вид какого‑то физического 
процесса (информация в нем определяется размером измеряемого параметра: амплитудой A, интенсивностью I, частотой f). Дискретную форму называют еще кодированной, информация в ней 
заключена в числе элементов кода, их расположении во времени 
и пространстве.

Различие между активными и пассивными датчиками обусловлено их эквивалентными электрическими схемами, отражающими 
отличия в природе физических явлений и процессов.

Активные датчики являются источником выдаваемого электрического сигнала, а измерение изменений параметров пассивных датчиков производится косвенно, в результате его обязательного включения в схему с внешним источником тока. Так, 
измерение R осуществляется по изменению I или U внешнего  
источника.

Источником электрического сигнала пассивных датчиков является совокупность самого датчика и электрической схемы, формирующей его сигнал.

1.2. Активные датчики

1.2. Активные датчики

Принцип действия активных датчиков основан на том или ином 

физическом явлении, обеспечивающем преобразование измеряемой величины в электрическую форму энергии. При их создании 
используют различные физические эффекты, некоторые из них 
приведены в табл. 1.1.

Таблица 1.1 

Физические эффекты, использующиеся для создания активных датчиков 

Измеряемая  

величина
Используемый физический эффект
Выходная 
величина

Температура
Термоэлектрический эффект
U

Поток оптического 
излучения

Пироэлектрический эффект
Внешний фотоэффект
Внутренний фотоэффект в
— полупроводнике с p‑n‑переходом;
— в фототранзисторе.
Фотоэлектромагнитный эффект

q
I
U
U, I
U

Сила, давление, 
ускорение

Пьезоэлектрический эффект
q

Скорость
Электромагнитная индукция
U

Перемещение
Эффект Холла
U

Датчик, реализующий термоэлектрический эффект, — это термопара, которая содержит два проводника М1 и М2 различной химической природы. Их спаи, находящиеся при Т1 и Т2, являются 
местом возникновения термоЭДС, пропорциональной Т1. Температура второго спая Т2 известна (обычно 0 °C), рис. 1.2.

Рис. 1.2. Схема термоэлектрического элемента

Т1

M1

M1

M2

Т2 (0 ◦C)

е ~ Т1