Технологии изготовления тонкопленочных твёрдотельных сенсоров

Технологии изготовления датчиков чаще всего определяются известными способами получения полупроводниковых материалов. В их основе лежат известные химические или физические процессы кристаллизации, эпитексии, вакуумного нанесения пленок или химического осаждения. Можно выделить три основных вида технологических процессов производства сенсоров исходя из физического состояния материала:

• объемная технология (в основном сенсоры на основе Si);

• толстопленочная технология d = 5(3) ÷ 200 мкм

(пасты – трафаретная печать) ;

• тонкопленочная технология d > 5(3) мкм.

Рассмотрим их основные достоинства и недостатки общетехнологического плана

Свойство	Объемная технология	Толстопленочная технология	Тонкопленочная технология
Воспроизводимость Стабильность Температурный диапазон использования Возможность миниатюризации Возможность встраивания Рентабельный объем шт/год Затраты на 1 датчик при массовом производстве Гибкость технологий	низкая – средняя высокая до 4500 (Si) очень хорошая мс на кристалле > 105 низкие низкая	средняя – низкая высокая до 400 0С средняя на одной подложке (гибридная техника) 102 … 104 низкие низкая	высокая высокая может быть очень большим (- 500С ÷ +6000С) хорошая на одной подложке (гибридная техника) 103 … 105 очень низкие высокая

Как видно тонкопленочные технологии имеют ряд преимуществ. Особенно заметны эти преимущества при изготовлении оптических датчиков и химических сенсоров. Важным преимуществом оптических датчиков является бесконтактный принцип их работы. На их основе могут быть созданы большинство используемых в практике сенсорных устройств:

1. приборы положения деформации, вибрации и угла поворота;

2. аппаратура изображения в видимой и ИК – области спектра, для медицины и различных областей техники;

3. приборы контроля состояния поверхности, толщины покрытия;

4. пирометры (термометры);

5. авиационная и космическая аппаратура слежения, обнаружения, управления;

6. солнечные батареи (экологически чистые источники энергии);

7. газоанализаторы различных газов и паров;

8. приборы безопасности, прогнозирования ЧС и обнаружения пожаров.

В последние годы очень интенсивно развивается еще одно направление сенсорной техники – так называемые химические сенсоры – это простые в изготовлении, очень дешевые, но чрезвычайно чувствительные датчики всевозможных газов и паров, а также компонентов водных и биологических сред.

Поэтому в последующем изложении сосредоточим внимание на материалах и технологиях изготовления оптических датчиков, а также химических сенсоров, тем более мы в решении этих проблем имеем значительный практический опыт.

Оптические датчики. Общая характеристика.

Оптические датчики позволяют преобразовать в электрические сигналы информацию, доставляемую видимым светом или излучением соседних длин волн – ИК и УФ.

Свет одновременно имеет волновую и корпускулярную природу. В волновом аспекте он представляет собой электромагнитные колебания, возникающие при электронных переходах в атомах источника с одного энергетического уровня на другой. В вакууме свет имеет скорость ≈ 3∙10⁸ м/с, в веществе  = с/n, где n – показатель преломления среды. Частота ν и длина волны λ связаны соотношением λ = / ν.

В корпускулярном аспекте свет рассматривается, когда речь идет о взаимодействии его с веществом. Свет, как и все другие электромагнитные излучения представляется состоящим из частиц – фотонов, каждый из которых несет элементарную энергию, зависящую только от ν.

E = hν, где h – постоянная Планка (6,63·10^-34 Дж·с).

Поглощение 1 фотона вызывает освобождение 1 электрона. Максимальная длина волны, способная вызвать освобождение электрона в веществе называется пороговой длиной волны

λ_S = hс/W_е = 1,237/W_e,

где W_e – энергия связи электрона.

Освобождение носителей под действием светового излучения называется фотоэлектрическим эффектом: на этом эффекте, приводящем к изменению электрических свойств материала основано действие оптических датчиков.

Тип освобожденных носителей заряда зависит от природы освещаемого материала:

1. электронно-дырочные пары в изоляторах и чистых полупроводниках;

2. - в примесных полупроводниках с донорными уровнями;

3. дырки в примесных полупроводниках с акцепторными уравнениями.

Не каждый фотон генерирует носители. Среднее число носителей, освобожденных одним поглощенным фотоном называют квантовым выходом: .

Фотоэлектрический эффект может быть внешним, когда электроны выбиваются из материала вещества и внутренним (фотопроводимость, фотогальванический эффект, фотоэлектромагнитный эффект).