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 Ин‑

ститута химии твердого тела УрО РАН; А. В. Шнайдер, канд. техн. наук, на‑
чальник каф. пожарной автоматики Уральского института ГПС МЧС Рос‑
сии, подполковник внутр. службы 

М26

Марков, В. Ф.
Технология тонкопленочных твердотельных сенсоров: учеб. посо‑

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

В учебном пособии даны характеристики и рассмотрены технологические прие‑

мы получения тонкопленочных твердотельных сенсоров, их конструкционные осо‑
бенности, основные параметры, назначение и области их применения. Особое вни‑
мание уделено оптическим датчиками и химическим сенсорам, их характеристикам 
и основным преимуществам. Представлены общие положения и законы распростра‑
нения ИК‑излучения. Рассмотрено использование наноструктурных материалов для 
создания фотодетекторов и сенсоров различного назначения.

Пособие предназначено студентам высших учебных заведений, обучающимся по на‑

правлениям 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, обоня‑
ние и вкус. Насколько они совершенны, и достаточны ли 

для современной жизни? Так, глаз человека воспринимает солнеч‑
ный 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 от‑
тенков цвета, а в полной темноте способен даже фиксировать еди‑
ничные фотоны. Воспринимаемый человеком диапазон звуковых 
частот составляет 16–20000 Гц. У некоторых животных этот ин‑
тервал значительно шире. И опять восприятие звука очень диффе‑
ренцировано: в этом диапазоне ухо различает 3–4 тыс. звуковых 
тонов по их высоте. Что касается чувствительности носа челове‑
ка к некоторым запахам, то она может быть относительно высо‑
кой, но при этом очень субъективной. То же относится к осяза‑
нию и особенно к восприятию вкуса. Чувствительность может 
быть сильно изменена в результате длительного действия (зака‑
ливание, тренировка). При этом восприятие запаха, тактильная 
чувствительность подчиняются нелинейному по своей сути зако‑
ну Вебера‑Фехнера (оценка раздражителя нелинейно связана с его 
силой). У человека существует жизненная потребность значитель‑
ного 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 оцен‑
ки, теряют свою ценность. Из существующих используемых дат‑
чиков особую перспективу имеют приборы, изготовленные в тон‑
копленочном исполнении. Это связано как с характерной для них 

Введение

в большинстве случаев высокой чувствительностью, так и возмож‑
ностью снижения коммерческой стоимости за счет использования 
разработанных микроэлектронных технологий, отличающихся вы‑
сокой тиражностью производства.

Понятие «тонкая пленка» обозначает слой толщиной не более 

2–3 мкм. Тонкие пленки сегодня являются основой современной 
микроэлектроники и широко используются в полупроводнико‑
вых, гибридных и совмещенных интегральных микросхемах для 
создания проводящих поверхностей, различных функциональных 
элементов, изоляции между элементами и проводниками. Поми‑
мо необходимых электрофизических параметров, от них требу‑
ется хорошая адгезия (прочность связи с материалом подложки). 
Тонкие пленки различных полупроводниковых, а также некото‑
рых диэлектрических материалов являются во многих случаях ос‑
новой современных сенсорных элементов и всевозможных датчи‑
ков физических воздействий. Технологии изготовления датчиков 
чаще всего определяются известными способами получения по‑
лупроводниковых 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, тех‑
нологических приемов, используемых для их изготовления, обла‑
стей применения. Особое внимание уделено оптическим датчика‑
ми и химическим сенсорам, их преимуществам в использовании. 
В пособии рассмотрено использование наноматериалов для соз‑
дания высокочувствительных сенсоров различного назначения.

Книга является универсальным пособием как для студентов 

и аспирантов, специализирующихся в области физико‑химиче‑
ских технологий материалов электронной техники, так и для на‑
учных сотрудников, работа которых связана с получением и ис‑
следованием тонкопленочных функциональных материалов для 
микро‑ и 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 основ‑
ному содержанию словами‑синонимами (датчик — это 
фактически калька с англоязычного термина sensor). Со‑

гласно ГОСТ Р 51086–97 РФ, датчик — это конструктивно обосо‑
бленный первичный измерительный преобразователь, на который 
непосредственно воздействует измеряемая физическая величи‑
на, представляющий собой техническое средство с нормируемы‑
ми характеристиками, служащее для преобразования измеряемой 
величины в другую величину, или измерительный сигнал, удоб‑
ный для обработки, хранения, индикации, передачи, дальнейших 
преобразований. Первичный измерительный преобразователь яв‑
ляется, по сути, первым преобразователем в измерительной цепи 
измерительного прибора. Датчики — это устройства, регистри‑
рующие и измеряющие сигнал. Примером простейшего датчи‑
ка может служить ртутный термометр. В качестве чувствительно‑
го элемента используется ртуть, температурная шкала исполняет 
роль сигнализатора, а объектом наблюдения является температу‑
ра. Таким образом, датчик — это непосредственно компонент из‑
мерительной системы.

Иногда в технической литературе делаются различия между по‑

нятием датчика и сенсора. В этом случае под сенсором понимает‑
ся устройство, способное преобразовать изменения, произошед‑
шие 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 толь‑
ко обнаруживают. Детектор не обязан (хотя и может) выдавать ин‑
формацию 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 че‑
ловека. Без современных датчиков невозможен прогресс техники, 
науки, общества; невозможен контроль технологических процес‑
сов, качества продукции, состояния здоровья, окружающей среды.

Существует ряд основных требований, предъявляемых к совре‑

менным датчикам:

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

пользования;

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

цесс;

— совместимость с другими устройствами;
— невысокая стоимость и доступность.
Все датчики, использующие различные технологические реше‑

ния, 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 опре‑
деления содержания химических элементов и веществ.
Сигнал, как правило, имеет электрическую природу. Это за‑
ряд, ток, падение напряжения, электрическое сопротивление, ем‑
кость и т. д.
Датчик устанавливает коррелирующую зависимость между ве‑
личиной 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 преобразова‑

тель первичной информации, осуществляющий предварительную 
обработку сигнала или усилитель отклика.

Важной проблемой при использовании датчиков является обе‑

спечение постоянства чувствительности, которая должна как 
можно меньше зависеть от поведения m, частоты ее изменения, 
от времени измерения, от воздействия других физических вели‑
чин, т. е. датчик должен иметь максимально возможную избира‑
тельность.

С точки зрения вида сигнала на его выходе датчик может быть 

активным (генераторным), выдающим заряд q, падение напряже‑
ния U или величину тока I, либо пассивным (параметрическим) 
с выходными значениями электрического сопротивления R, ем‑
кости C, индуктивности L, изменяющимися соответственно вход‑
ной 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 измеряемо‑
го параметра: амплитудой A, интенсивностью I, частотой f). Дис‑
кретную форму называют еще кодированной, информация в ней 
заключена в числе элементов кода, их расположении во времени 
и пространстве.

Различие между активными и пассивными датчиками обуслов‑

лено их эквивалентными электрическими схемами, отражающими 
отличия в природе физических явлений и процессов.

Активные датчики являются источником выдаваемого элек‑

трического сигнала, а измерение изменений параметров пас‑
сивных датчиков производится косвенно, в результате его обя‑
зательного включения в схему с внешним источником тока. Так, 
измерение R осуществляется по изменению I или U внешнего  
источника.

Источником электрического сигнала пассивных датчиков яв‑

ляется совокупность самого датчика и электрической схемы, фор‑
мирующей его сигнал.

1.2. Активные датчики

1.2. Активные датчики

Принцип действия активных датчиков основан на том или ином 

физическом явлении, обеспечивающем преобразование измеряе‑
мой 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 тер‑

мопара, которая содержит два проводника М1 и М2 различной хи‑
мической природы. Их спаи, находящиеся при Т1 и Т2, являются 
местом возникновения термоЭДС, пропорциональной Т1. Темпе‑
ратура 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