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 u = с/n, где n – показатель преломления среды. Частота ν и длина волны λ связаны соотношением λ = u/ 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
λS = hс/Wе = 1,237/We,
где We – 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).