第八章 薄膜传感器
在基底材料上用物理或化学的方法制成敏
感材料薄层（几百 nm~几 μm）。
薄膜热传感器、应变片、气敏传感器。
第一节 薄膜热传感器
传统的测温元件,热电阻、热敏电阻、电偶
介绍两种,金属薄膜热电阻、多晶硅薄膜热
电阻。
一、金属膜热电阻
用铂粉沉积在陶瓷基片上，厚度 2μm。
封装,SMD型和引线型。
结构图如下：
Rt=R0[1+at-bt2-ct3（ t-100） ] （ 8-1）
α =（ Rt-R0） /（△ t·R0） （ 8-2）
标称电阻值有 100Ω, 500Ω, 1000Ω
二、多晶硅薄膜热电阻
随着 微系统 （ MEMS）技术的发展而产
生。
特点,应变系数大，高温特性好 。
将信息的获得、处理和执行部分一体化
集成在同一硅衬底上，形成真正的系统。
电阻率高于单晶硅。
多晶硅薄膜热结晶结构示意图：
L-2W 2W电阻率,ρ =-----------ρ
g+---------ρb
L L
第二节 薄膜应变片
一、薄膜应变片简介
传统应变片,用金属丝 粘贴 或硅扩散（ 粘
贴） 的办法制作。
特点,价格便宜、结构简单、使用方便，
但由于粘贴式工艺带来敏感层与基片之
间的 形变传递性能不好,影响了 测量精
度。
薄膜应变片采用 溅射 或 蒸发 的方法，消
除了传统应变片传递性不好的缺点。具
体优点如下：
1）稳定性好,蠕变和滞后低 。
2）使用寿命长,承受 106次以上的重复加
载。
3）温度系数小
4）工作温度范围宽,多层结构可达 （ -
100~180℃ ）。
6）量程大,多层结构可从 0.02N~30N.
7) 成本低, 制造工艺简单、成品率高 。
二、薄膜应变片原理
三层结构,基片 -绝缘层 -敏感层
例,MIM结构,金属基片 -绝缘层 -金属敏感层 。
机理,压阻效应 。
设材料电阻率为 ρ,薄膜宽度 w,长度 L,厚 t
薄膜电阻,
R=ρL/wt (8-19)
经推导,
dR/R=dρ/ ρ=π//σ//+ π⊥ σ⊥ (8-22)
薄膜材料的电阻率变化与 横向 和 纵向 应力
有关,
三、薄膜应变片的制作及特性
敏感膜的制作工艺有多种。
1.溅射薄膜应变片
真空溅射工艺流程见书
影响薄膜应变片的稳定性因素,
1)蠕变
2)零漂
薄膜应变片和其他应变片的比较,
2.蒸发薄膜应变片
工艺与溅射工艺基本相同,
第三节 薄膜气敏传感器
用于检测环境污染、易燃易爆和有毒气体。
分单膜和双膜。
最常用的敏感材料,SnO2（氧化锡）。
有三种结构：烧结型、厚模型和 薄膜型 。
薄膜型的特点：
响应速度快、灵敏度高、低功耗、选择性
好、互换性好。
结构：膜后 50~100nm。
基片
敏感膜
厚膜加热器
SiO2绝缘层 在基片背面
多膜传感器有两层或三层。
一,SnO2气敏薄膜
特性：遇 氧化性 气体，材料电阻 增大 ；
遇 还原性 气体，材料电阻 增小 ；
制造工艺：
（ 1）化学气相淀积（ CVD）
SnCl4+O2=SnO2+2Cl2
（ 2）溅射法
二、气敏特性
与厚度、掺杂、工作温度等相关 。
1.气敏性能与工作温度的关系
氢气含量不同的 4条曲线,
2.气敏性能与掺杂的关系
掺杂稀土氧化物 Eu2O3的影响,
1)选择性
2)响应速度
3)灵敏度
在基底材料上用物理或化学的方法制成敏
感材料薄层（几百 nm~几 μm）。
薄膜热传感器、应变片、气敏传感器。
第一节 薄膜热传感器
传统的测温元件,热电阻、热敏电阻、电偶
介绍两种,金属薄膜热电阻、多晶硅薄膜热
电阻。
一、金属膜热电阻
用铂粉沉积在陶瓷基片上，厚度 2μm。
封装,SMD型和引线型。
结构图如下：
Rt=R0[1+at-bt2-ct3（ t-100） ] （ 8-1）
α =（ Rt-R0） /（△ t·R0） （ 8-2）
标称电阻值有 100Ω, 500Ω, 1000Ω
二、多晶硅薄膜热电阻
随着 微系统 （ MEMS）技术的发展而产
生。
特点,应变系数大，高温特性好 。
将信息的获得、处理和执行部分一体化
集成在同一硅衬底上，形成真正的系统。
电阻率高于单晶硅。
多晶硅薄膜热结晶结构示意图：
L-2W 2W电阻率,ρ =-----------ρ
g+---------ρb
L L
第二节 薄膜应变片
一、薄膜应变片简介
传统应变片,用金属丝 粘贴 或硅扩散（ 粘
贴） 的办法制作。
特点,价格便宜、结构简单、使用方便，
但由于粘贴式工艺带来敏感层与基片之
间的 形变传递性能不好,影响了 测量精
度。
薄膜应变片采用 溅射 或 蒸发 的方法，消
除了传统应变片传递性不好的缺点。具
体优点如下：
1）稳定性好,蠕变和滞后低 。
2）使用寿命长,承受 106次以上的重复加
载。
3）温度系数小
4）工作温度范围宽,多层结构可达 （ -
100~180℃ ）。
6）量程大,多层结构可从 0.02N~30N.
7) 成本低, 制造工艺简单、成品率高 。
二、薄膜应变片原理
三层结构,基片 -绝缘层 -敏感层
例,MIM结构,金属基片 -绝缘层 -金属敏感层 。
机理,压阻效应 。
设材料电阻率为 ρ,薄膜宽度 w,长度 L,厚 t
薄膜电阻,
R=ρL/wt (8-19)
经推导,
dR/R=dρ/ ρ=π//σ//+ π⊥ σ⊥ (8-22)
薄膜材料的电阻率变化与 横向 和 纵向 应力
有关,
三、薄膜应变片的制作及特性
敏感膜的制作工艺有多种。
1.溅射薄膜应变片
真空溅射工艺流程见书
影响薄膜应变片的稳定性因素,
1)蠕变
2)零漂
薄膜应变片和其他应变片的比较,
2.蒸发薄膜应变片
工艺与溅射工艺基本相同,
第三节 薄膜气敏传感器
用于检测环境污染、易燃易爆和有毒气体。
分单膜和双膜。
最常用的敏感材料,SnO2（氧化锡）。
有三种结构：烧结型、厚模型和 薄膜型 。
薄膜型的特点：
响应速度快、灵敏度高、低功耗、选择性
好、互换性好。
结构：膜后 50~100nm。
基片
敏感膜
厚膜加热器
SiO2绝缘层 在基片背面
多膜传感器有两层或三层。
一,SnO2气敏薄膜
特性：遇 氧化性 气体，材料电阻 增大 ；
遇 还原性 气体，材料电阻 增小 ；
制造工艺：
（ 1）化学气相淀积（ CVD）
SnCl4+O2=SnO2+2Cl2
（ 2）溅射法
二、气敏特性
与厚度、掺杂、工作温度等相关 。
1.气敏性能与工作温度的关系
氢气含量不同的 4条曲线,
2.气敏性能与掺杂的关系
掺杂稀土氧化物 Eu2O3的影响,
1)选择性
2)响应速度
3)灵敏度
