Применение кремния для изготовления датчиков

Кремний есть и на солнце, и практически на всех звездах. Он составляет основу целого класса метеоритов, называемых аэролитами. Кремний является вторым в количественном отношении материалом на Земле, уступая только кислороду; его весовая концентрация в составе земной коры оценивается равной 25,7%. В при­роде кремния в чистом виде не существует, он встречается в виде оксидов и сили­катов. Наиболее известными кремниевыми оксидами являются песок, кварц, аме­тист, глина, слюда и т.д. Кремний получается при нагреве двуокиси кремния и углеродосодержащих материалов в печи при использовании угольных электро­дов. Кристаллический кремний имеет металлический блеск и сероватый оттенок (Кремний не следует путать с силиконами, получаемыми при гидролизе органи­ческих хлоридов кремния, таких как диметил хлорид кремния. Силиконы исполь­зуются как диэлектрики, смазочные вещества и для производства силиконовой резины). Существуют и другие методы получения кремния. Монокристаллы крем­ния, применяемые для изготовления твердотельных полупроводниковых детек­торов и микродатчиков, чаще всего выращиваются по методу Чохральского. Крем­ний является относительно инертным материалом, он вступает в реакцию только с галогенами и растворами щелочей. Большинство кислот, кроме фтористоводо­родной, не оказывают никакого влияния на кремний. Кремний пропускает ИК

излучение и поэтому используется для изготовления окошек в ИК датчиках.

Атомный вес кремния составляет 28.0855, а его атомный номер равен 14. Его температура плавления равна 1410°С. Удельный вес кремния при температуре 25°С составляет 2.33, а его валентность равна 4.

Свойства кремния хорошо изучены, поэтому он широко используется во всем мире при изготовлении датчиков. Кремний является недорогим материалом, и технология его производства позволяет контролировать как его чистоту, так и ка­чество. В таблице 18.1 приведены физические эффекты, характерные для крем­ния, которые могут быть использованы для построения датчиков.

К сожалению, кремний не обладает пьезоэлектрическим эффектом. Большин­ство физических эффектов, свойственных кремнию, таких как эффекты Холла и Зеебека, а также пьезорезистивность, носят ярко выраженный характер; однако, при этом практически всегда наблюдается существенная температурная зависи­мость параметров датчиков, реализованных на их основе. Если кремний не обла­дает соответствующими характеристиками, всегда можно нанести на его поверх­ность слой материала, который придаст кремниевой подложке необходимые свой­ства. Например, при изготовлении пьезоэлектрических преобразователей, исполь­зуемых в датчиках на ПАВ и акселерометрах, на кремниевую подложку напыля­ются тонкие пленки из ZnO.

Кремнии обладает уникальными механическими свойствами, которые в на­стоящее время используются для изготовления таких устройств, как датчики дав­ления, силы и температуры, а также детекторы прикосновений, требующих при­менения методов микротехнологий. Тонкопленочная и фотолитографическая тех­нологии, традиционно используемые для производства интегральных электрон­ных схем, позволяют формировать миниатюрные прецизионные механические структуры, что дает возможность налаживать серийный выпуск датчиков на их основе. В Приложении приведены механические характеристики кремния и дру­гих популярных кристаллических материалов.

Хотя монокристаллический кремний является довольно ломким материалом, не поддающимся пластической деформации как большинство металлов, он не та­кой хрупкий, как это может показаться. Модуль Юнга кремния (1.9 • 10¹² дин/см)

сравним с модулем Юнга нержавеющей стали и выше чем коэффициент упругос­ти кварца и большинства стекол. Ошибочное представление о хрупкости крем­ния появилось из-за того, что он часто формируется в виде пластин диаметром 5... 13 см, толщина которых составляет 250...500 мкм. Даже листы из нержавею­щей стали таких габаритов легко поддаются неупругой деформации.

Как упоминалось ранее, многие структурные и механические недостатки монокристаллического кремния смягчаются при нанесении на него специальных тонкопленочных покрытий. Например, тонкие пассивирующие пленки из квар­ца, осажденные на кристаллы ИС, защищают их от воздействия коррозионных и загрязняющих веществ, содержащихся в воздухе окружающей среды. Другим при­мером является нанесение слоев из нитрида кремния (см. соответствующую таб­лицу Приложения), прочность которого уступает только алмазу. Анизотропное травление является ключевой технологией, применяемой для формирования в кремнии миниатюрных трехмерных структур. Для травления чаще других исполь­зуются следующие две композиции: Одна основана на этилендиамине и воде с некоторыми добавками, а другая состоит из чисто неорганических щелочных ра­створов, таких как КОН, NaOH или LiOH.

Поликремниевые материалы позволяют изготавливать датчики, обладающие уникальными характеристиками. Слои из поликремния толщиной порядка 0.5 мкм, как правило, формируются методом термовакуумного напыления на крем­ниевой подложке со слоем диоксида кремния на поверхности толщиной 0.1 мкм [2]. Поликремниевые структуры часто легируются бором. Для этого применяется метод химического осаждения из газовой фазы пр'и низком давлении.

На рис. 18.1А показано, как меняется удельное сопротивление поликремния в зависимости от концентрации бора. Здесь же для сравнения приведена анало­гичная кривая для монокремния. Из рисунка видно, что удельное сопротивление поликремния всегда намного выше, чем у монокристаллического материала, даже при высоких концентрациях бора. В диапазоне низких концентраций бора на­блюдается значительное изменение удельного сопротивления поликремния, по­этому именно этот диапазон и используется для изготовления датчиков. Зависи­мость сопротивления поликремния от температуры не является линейной. В за­висимости от степени легирования температурный коэффициент сопротивления поликремния в широком диапазоне значений может быть выбран либо положи­тельным, либо отрицательным (рис.18.1Б). Обычно температурный коэффици­ент сопротивления уменьшается при снижении концентрации легирующих при­месей. Сопротивление слоя поликремния при любой температуре может быть оп­ределено из выражения:

(18.1)

где a_R=(1/R₂₀)(dR(T₀)/dT)является температурным коэффициентом, a R₂₀ - сопротивлением при калибровке при температуре 20°С. На рис. 18.2А показана темпе­ратурная чувствительность поликремния и монокристаллического кремния при разных уровнях легирования. Видно, что температурная чувствительность поли-

кремния выше, чем у монокремния, и поддается управлению за счет изменения концентрации легирующих примесей. Интересно отметить, что при определенной концентрации бора (точка Z) сопротивление перестает зависеть от температуры.

При разработке датчиков давления, силы или ускорения важно знать ко­эффициент тензочувствительности резисторов из поликремния. На рис. 18.2Б показаны зависимости относительного изменения сопротивления поликрем­ниевых резисторов, легированных бором, от величины продольной деформа­ции e₁. Все значения DR приведены относительно величины сопротивления R₀, измеренного в ненагруженном состоянии. Из рисунка видно, что значения AR зависят от уровня легирования, а величина сопротивления уменьшается при сжатии и увеличивается при растяжении. Следует также отметить, что коэф­фициент тензочувствительности (наклон линии на рис. 18.2Б) зависит от тем­пературы. Резисторы из поликремния обладают такой же высокой долговре­менной стабильностью, что и резисторы из монокристаллического кремния, поскольку поверхностные эффекты не оказывают серьезного влияния на ха­рактеристики устройства.

Пластмассы

Пластмассы — это синтетические материалы, сформированные из мономеров. Мономеры (например, этиленовые), вступая в реакции с другими мономерами, образуют длинные цепочки из повторяющихся этиленовых звеньев, являющиеся полимером полиэтиленом. Аналогичным способом из мономеров стирола фор­мируется полимер полистирол. Полимеры состоят из атомов углерода, связанных с другими элементами. В составе полимеров, в основном, используются только восемь элементов: углерод, водород, кислород, азот, кремний, сера, хлор и фтор, но это позволяет создать тысячи вариантов различных пластмасс.

Рис. 18.3.Атомы, используемые для построения полимеров

Каждый атом обладает ограниченным числом энергетических (валентных) связей для объединения с другими атомами, а для того чтобы вещество было ста­бильным, каждый атом внутри молекулы должен использовать все свои связи. Например, водород может быть связан только с одним другим атомом, в то время как углерод и кремний могут присоединить к себе четыре других атома. Таким образом, молекулы Н-Н и H-F являются стабильными молекулами, а С-Н и Si-Cl

— нет. На рис. 18.3 показаны все восемь атомов со своими валентными связями.

Добавление большего количества атомов углерода в цепь полимера ведет к увеличению числа присоединенных атомов водорода, что делает молекулы более тяжелыми. Например, этан (С₂Н₆) является тяжелее метана, поскольку содержит дополнительные атом углерода и два атома водорода. Его молекулярный вес ра­вен 30. Очевидно, что молекулярный вес полимера будет каждый раз увеличи­ваться на 14 единиц (вес одного атома углерода и двух атомов водорода) до тех пор, пока он не превратится в пентан (С₅Н₁₂). Поскольку пентан очень тяжелый, при комнатной температуре он уже является не газом, а жидкостью. Дальнейшее присоединение групп СН₂ ведет к формированию все более тяжелых полимерных жидкостей. По достижении состава С₁₈Н₃₈ полимер превращается в твердое веще­ство (С₁₈Н₃₈ - это парафиновый воск). По мере роста молекул полимера воск ста­новится все более тяжелым. Полимер с формулой С₁₀₀Н₂₀₂ с молекулярным весом 1402 называется полиэтиленом, который является самым простым термопласти­ком. При дальнейшем увеличении числа групп СН₂ происходит повышение жес­ткости полимерного материала. Полимеры с молекулярным весом в диапазоне 1000...5000 называются полиэтиленами со средним молекулярным весом, а выше

— с высоким молекулярным весом. Полиэтилен, являющийся самым простым
полимером (рис. 18.4), обладает рядом очень полезных свойств, используемых при
построении датчиков. Например, полиэтилен прозрачен для излучений среднего
и дальнего ИК спектрального диапазона, поэтому может использоваться для из­
готовления окон и линз.

При нагреве, под давлением и при введении катализаторов мономеры могут образовывать очень длинные цепи. Этот процесс называется полимеризацией. Длина цепи (молекулярный вес) является очень важной характеристикой, посколь­ку от нее зависят многие свойства пластмасс. Увеличение веса ведет к повыше­нию жесткости и прочности, уменьшению ползучести, росту температуры плав­ления и вязкости в расплавленном состоянии, а также усложнению процесса об­работки. По окончании процесса полимеризации получившиеся полимерные цепи не связаны друг с другом и имеют сходство с длинным переплетающимся пучком спагетти. Такие полимеры называются термопластмассами; это означает, что они поддаются формованию при нагреве.

Чем ближе цепи расположены друг к другу, тем выше плотность полимера. При определенной плотности может начаться процесс формирования кристал­лов. Кристаллизованные области обладают большей жесткостью и прочностью. Такие полимеры трудно поддаются обработке, поскольку обладают более высо­кой температурой плавления. При этом вместо того чтобы постепенно размяг­чаться, они резко переходят в жидкости с низкой вязкостью. С другой стороны, аморфные термопластмассы расплавляются медленно, но они не текут так хоро­шо, как кристаллизованные пластики. Примерами аморфных полимеров явля­ются акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС), полистирол, поликарбонат, поли-сульфон и т.д. Кристаллические пластмассы — это полиэтилен, полипропилен, нейлон, поливинилиден фторид и т.д.

АБС — очень жесткий и прочный материал. Он обладает высокой химической устойчивостью, низким влагопоглощением и хорошей формоустойчивостью. На некоторые виды может быть нанесено гальваническое покрытие.

Акрил обладает высокой оптической прозрачностью и устойчивостью к воз­действиям окружающей среды. Он является прочным и блестящим материалом с хорошими электрическими свойствами. Бывает разных цветов.

Фторопласты включают в себя целое семейство материалов (PTFE, FEP, PFA, CTFE, ECTFE, ETFE, PFDF), обладающих очень хорошими электрическими свой­ствами и химической устойчивостью, низким трением и высокой термоустойчи­востью. Однако они имеют среднюю прочность и высокую стоимость.

Нейлон (полиимид) обладает высокой прочностью и износоустойчивостью, а также низким коэффициентом трения. Он имеет хорошие электрические и хими­ческие свойства, но его гигроскопичность и формоустойчивость ниже, чем у дру­гих пластмасс

Поликарбонат имеет очень высокую ударопрочность. Он является прозрач­ным и устойчивым к воздействиям окружающей среды, а также обладает низкой ползучестью под нагрузкой. Однако на него могут оказывать влияние некоторые химические реагенты.

Полиэстер обладает высокой формоустойчивостью, однако его нельзя исполь­зовать вне помещений или в горячей воде.

Полиэтилен — легкий и недорогой материал с отличной химической стабиль­ностью и хорошими электрическими свойствами. Он имеет среднюю прозрач­ность в широком спектральном диапазоне: от видимого света до дальнего ИК из­лучения, но обладает плохой формоустойчивостью и термостабильностью.

Полипропилен устойчив к изгибам и разрывным нагрузкам, обладает отлич­ными химическими и электрическими свойствами, а также высокой термоста­бильностью. Он легкий, недорогой и прозрачный для излучений дальнего ИК диапазона. Однако, его коэффициент поглощения и рассеяния фотонов в сред­нем ИК диапазоне выше, чем у полиэтилена.

Полиуретан — прочный, износоустойчивый и ударопрочный материал. Он мо­жет быть изготовлен в виде пленок и пенопластов. Он обладает хорошими электри­ческими и химическими свойствами. Однако, УФ облучение ухудшает его качества.

Другой тип пластиковых материалов называется термореактивными пласт­массами. В этих материалах полимеризация идет в два этапа: при производстве материала и при формировании из них конечных изделий. Примерами таких пла­стмасс являются фенольные смолы, которые при формовании из них требуемых структур расплавляются под действием давления. При этом образуются прочные поперечные межмолекулярные связи, неразрушаемые при последующем нагре­ве. Процесс формования изделий из термореактивных пластмасс напоминает варку яиц: после того, как сварены, они остаются твердыми. Как правило, этот тип пла­стмасс обладает большей температурной и формоустойчивостью по сравнению с термопластиками. По этой причине термореактивные пластмассы используются для изготовления: корпусов судов и электрических выключателей (армированный полиэстер); печатных плат (эпоксидная смола) и посуды (меламин). С другой сто­роны, термопластики по сравнению с термореактивными пластмассами облада­ют более высокой ударопрочностью, простотой обработки и лучшей адаптируе­мостью при разработке сложных изделий.

При изготовлении датчиков наиболее часто используются следующие термо­пластмассы:

Алкидная смола обладает отличными электрическими свойствами и низкой влагопроницаемостью.

Аллил (диаллил фталат) обладает высокими: формоустойчивостью, термоста­бильностью и химической устойчивостью.

Эпоксидная смола имеет высокую термическую и электрическую прочность, а также адгезию к большинству материалов

Фенольная смола является недорогим материалом черного или коричнево­го цвета.

Полиэстер (термопластичная форма) может быть разных цветов и разной про­зрачности. Обладает сильной усадкой.

Если в реакции полимеризации участвуют два мономера разных типов (А и В), получившийся полимер называется сополимером, свойства которого опреде­ляются соотношением компонентов А и В. Для изменения механических свойств полимера в него вводят дополнительные компоненты, например, волокна позво­ляют повысить прочность, пластификаторы — гибкость, смазочные вещества облегчают обработку, а УФ стабилизаторы улучшают характеристики датчиков, работающих в условиях солнечного света.

Другим хорошим способом управления свойствами пластмасс является изго­товление полимерных сплавов или композиций, при этом сохраняются свойства каждого компонента.

Электропроводящие пластмассы. Сами по себе пластмассы являются прекрас­ными изоляторами. Для придания им электрических свойств их либо покрывают слоем металлической фольги или проводящего красителя, либо на них напыляют слой металла. Другим способом изготовления электропроводящих пластмасс яв­ляется добавление проводящих примесей (например, графита или металлических нитей) или встраивание в пластмассу металлической сетки.

Пьезоэлектрические пластмассы. Они изготавливаются из поливинил фтори­дов и поливенилиден фторидов, а также сополимеров, которые являются крис­таллическими материалами. Первоначально они не обладают пьезоэлектричес­кими свойствами. Для придания им этих свойств их поляризуют либо при помо­щи высокого напряжения, либо коронного разряда (см. раздел 3.6 главы 3). С двух сторон пленки наносятся металлические электроды: либо методом трафаретной печати, либо по технологии вакуумной металлизации. Такие пленки применяют­ся в некоторых датчиках вместо керамических материалов. Их преимуществами являются гибкость и устойчивость к механическим нагрузкам. Другим достоин­ством пьезоэлектрических пластмасс является возможность изготовления из них изделий практически любой формы.

Металлы и сплавы

С точки зрения разработчика датчиков все металлы можно разделить на два клас­са: с содержанием железа или без него. Металлы с содержанием железа, напри­мер, сталь, часто используются для изготовления магнитных датчиков движения, расстояния, магнитного поля и т.д. Также они применяются для формирования магнитных экранов. Другие типы металлов проницаемы для магнитных полей, поэтому используются там, где эти поля не имеют никакого значения.

Металлы и сплавы без содержания железа обладают рядом замечательных ме­ханических и физических свойств. При выборе металла необходимо не только учи­тывать его свойства, но и рассматривать способы его обработки. Например, не­смотря на то, что медь обладает отличными тепловыми и электрическими свой­ствами, из-за сложности работы с ней вместо нее часто используют алюминий.

Алюминий имеет высокую величину отношения прочность/вес и обладает ан­тикоррозионными свойствами: при воздействии воздуха он не окисляется так бы­стро, как железо. Это объясняется тем, что на поверхности алюминия формиру­ется микроскопический оксидный слой, защищающий его от воздействия окру­жающей среды.

Существует сотни алюминиевых сплавов. Для их обработки разработаны спе­циальные методы, такие как раскатка, отливка и штамповка. Некоторые сплавы можно скреплять методом пайки и сварки. В дополнение к замечательным элек­трическим свойствам алюминий обладает вторичными отражающими свойства­ми для излучений практически всего спектра: от УФ до радиоволн. Покрытия из алюминия часто наносятся на зеркала и волноводы. В среднем и дальнем ИК ди­апазонах только золото обладает лучшей отражающей способностью.

Бериллий обладает несколькими замечательными свойствами. Он обладает низ­кой плотностью (две трети от плотности алюминия), большим коэффициентом жесткости (в пять раз больше, чем у стали), высокой удельной теплоемкостью,

отличной формоустойчивостью и прозрачностью для рентгеновских лучей. Ос­новным его недостатком является высокая стоимость. Также как и у алюминия, на поверхности бериллия формируется микроскопический слой, защищающий поверхность от коррозии. Обрабатывать бериллий можно многими традицион­ными способами, включая холодное прессование из порошка. Из него изготавли­ваются окна для рентгеновских датчиков, оптические платформы, зеркальные подложки и структуры спутников.

Магний является очень легким материалом с высоким отношением жесткос­ти к весу. Благодаря низкому коэффициенту упругости он может он обладает хо­рошими демпфирующими свойствами. Для его обработки подходят практически все методы обработки металлов.

Никель подходит для изготовления очень прочных структур, устойчивых к кор­розии. По сравнению со сталью сплавы никеля обладают очень высокой прочно­стью и высоким коэффициентом упругости. Сплавы никеля — это двухкомпонен-тные системы с медью, кремнием и молибденом. Никель и его сплавы сохраняют свои свойства в температурном диапазоне от криогенных температур до 1200°С. Никель входит в состав сверхпрочных сплавов, таких как Inconell, Monel (Ni-Cu), Ni-Cr, Ni-Cr-Fe.

Медь соединяет в себе хорошие тепловые и электропроводные свойства (вто­рые после чистого серебра) с коррозионной устойчивостью и относительной про­стотой обработки. Однако она обладает сравнительно низким отношением проч­ности к весу. Медь трудно поддается обработке методами микротехнологий. Медь и ее сплавы — латунь и бронза — могут быть изготовлены в различном виде, в том числе и в виде пленок. Латунь — это сплав меди и цинка с некоторыми добавками. Бронзу можно разделить на несколько групп: фосфорная бронза (медь-олово-фосфор), свинцово-фосфорная бронза (медь-олово-свинец-фосфор) и кремние­вая бронза (медь-кремний). При использовании вне помещений медь покрыва­ется сине-зеленым налетом (патиной). Этого можно избежать, используя акри­ловое покрытие. Сплав меди с бериллием обладает замечательными механичес­кими свойствами и используется для изготовления пружин.

Свинец является самым непроницаемым металлом для рентгеновских лучей и g-радиации. Он обладает высокой коррозионной устойчивостью ко многим хи­мическим реагентам. Изделия из него могут работать и в любой почве, и в морс­кой воде, и в промышленных условиях. У свинца низкая температура плавления, поэтому его легко отливать и штамповать. Он хорошо поглощает звук и вибра­ции. Он обладает естественной смазочной способностью и изнокостойкостью. Свинец редко используется в чистом виде. Самыми известными сплавами явля­ются «тяжелый свинец», содержащий 1... 13% сурьмы; сплавы с кальцием и оло­вом, обладающие лучшей прочностью и жесткостью.

Платина — это серебристо-белый драгоценный металл, являющийся ковким, пластичным и коррозионно-устойчивым материалом. Она обладает очень стабиль­ным и воспроизводимым положительным температурным коэффициентом сопро­тивления, поэтому ее часто используют в датчиках температуры.

Золото является очень мягким и химически инертным материалом. Оно всту­пает в реакцию только с царской водкой, а также натрием и калием в присутствии

кислорода. Одним граммом чистого золота можно покрыть поверхность 5000 см² толщиной менее 0.1 мкм. В основном золото используется в гальванических по­крытиях и в составе сплавов с другими металлами: медью, никелем и серебром. В датчиках золото применяется в электрических контактах, в гальванически покры­тых зеркалах и волноводах, работающих в среднем и дальнем ИК диапазонах.

Серебро является самым дешевым из драгоценных материалов. Оно является ковким и коррозионно-устойчивым. Серебро обладает наибольшей тепло и элек­тропроводностью среди всех металлов.

Палладий, иридий и родий похожи друг на друга и ведут себя как платина. Они применяются в качестве электрических покрытий при изготовлении гибридных и печатных плат, а также разнообразных керамических подложек с электрически­ми проводниками. Эти металлы также используются для изготовления высокока­чественных отражателей, способных работать в широком спектральном диапазо­не при высоких температурах и в агрессивной окружающей среде. Самой высо­кой коррозионной устойчивостью среди всех металлов обладает иридий, поэтому именно он применяется в системах, работающих в критических условиях.

Молибден сохраняет прочность и жесткость до 1600°С. Этот металл и его сплавы поддаются машинной обработке при помощи традиционных инструментов. Он подвержен воздействию большинства кислот. Молибден, в основном, применя­ется в устройствах, работающих при высоких температурах, таких как нагрева­тельные элементы и отражатели в ИК печах. Молибден обладает низким коэф­фициентом теплового расширения и не поддается эрозии под действием расплав­ленных металлов.

Вольфрам во многих отношениях похож на молибден, но может работать даже при более высоких температурах. Он часто используется для изготовления термо­пар (вольфрам-рениевые термопары)

Цинк редко применяется в чистом виде (за исключением в качестве покры­тий). Его используют в виде сплавов.

18.1.4. Керамические материалы

Керамические материалы, как правило, имеют кристаллическую структуру. Их основными свойствами являются прочность, температуроустойчивость, низкий вес, устойчивость ко многим химическим реагентам, способность соединяться с другими материалами и отличные электрические характеристики, благодаря ко­торым они широко используются при изготовлении датчиков. Хотя большинство металлов образуют с кислородом хотя бы одно химическое соединение, только малая часть из них годится для изготовления керамики. Примерами являются оксиды алюминия и бериллия. Чаще всего оксид алюминия сплавляется с окси­дом кремния, однако, вместо него могут использоваться и другие элементы, та­кие как хром, магний, кальций и т.д.

Некоторые карбиды металлов относят к группе керамических материалов. Са­мыми распространенными из них являются карбид бора, а также нитрат и нитрид алюминия (см. Приложение). В случаях где требуется осуществить быструю тепло­передачу, следует применять нитрид алюминия; в то время как при изготовлении емкостных датчиков предпочтительнее использовать карбид кремния, поскольку

он обладает высокой диэлектрической константой. Благодаря своей жесткости, большинство керамических материалов для своей обработки требуют применения специальных методов, таких как скрайбирование, микрообработка и высверлива­ние при помощи СO₂ лазера, управляемого микропроцессором. Эти методы позво­ляют вырезать керамические подложки разной формы толщиной 0.1... 10 мм.

18.1.5. Стекла

Стекло - это аморфный твердый материал, изготовленный методом сплавления двуокиси кремния и основного оксида. Хотя его атомы никогда не организованы в кристаллическую структуру, межатомные расстояния в стекле довольно малы. Основными свойствами стекла являются прозрачность, способность окрашиваться в разные цвета, прочность и устойчивость к большинству химических реагентов, кроме фтористоводородной (плавиковой) кислоты (см. Приложение). Большин­ство стекол реализованы на силикатной системе и выполняются из трех основ­ных компонентов: оксида кремния (SiO₂), извести (СаСО_э) и карбоната натрия (NaCO₃). Несиликатные стекла — это фосфатные стекла (устойчивые к плавико­вой кислоте), теплопоглощающие стекла (сделанные из FeO) и системы, осно­ванные на оксидах алюминия, ванадия, германия и других металлов. Примером таких специальных стекол является трисульфат мышьяка (AS₂S₃), известный как AMTIR, прозрачный в среднем и дальнем ИК спектральном диапазоне и исполь­зуемый в составе ИК оптических устройствах (AMTIR — это ИК стекла, выпуска­емые Amorphous Materials, Inc. Garland, TX).

Боросшшкатные стекла являются самым старым типом стекол, очень устой­чивых к перепадам температур. Они выпускаются под маркой Руrех®. В таких стек­лах часть молекул SiO₂ замещается на оксид бора. Боросшшкатные стекла обла­дают низким коэффициентом теплового расширения, что позволяет их исполь­зовать для изготовления оптических зеркал (например, для телескопов).

Свинцово-щелочные стекла (или просто свинцовые) состоят из моноксида свинца (РbО), который повышает их коэффициент преломления. Такие стекла являются хорошими электрическими изоляторами. При изготовлении датчиков из них делаются оптические окна и призмы, а также экраны для защиты от ядер­ных излучений. Другие стекла реализуются на основе алюмосиликатного стекла, в котором А1₂O₃ вытесняет некоторые молекулы оксида кремния, 96% оксида крем­ния и расплавленного оксида кремния.

Другой класс — это светочувствительные стекла, которые выпускаются трех видов. Фотохроматические стекла затемняются, когда подвергаются воздействию УФ излучения, и осветляются, когда облучение прекращается или стекло нагре­вается. Некоторые фотохроматические композиции остаются затемненными в течение недель и даже месяцев. Остальные просветляются через несколько ми­нут после удаления источника облучения. Фоточувствительные стекла реагиру­ют на УФ излучение по-разному. Если они подвергаются нагреванию после об­лучения, их цвет становится опаловым. Это позволяет создавать некоторые узо­ры внутри стеклянной структуры. Более того, облученные опаловые стекла луч­ше растворимы в плавиковой кислоте, что позволяет их обрабатывать по техно­логии травления.

Поиск по сайту: