CN104089570B - 一种压阻传感元件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压阻传感元件。该压阻传感元件以类金刚石碳膜为压阻材料，由衬底、位于衬底表面的类金刚石碳膜，以及位于类金刚石碳膜表面金属电极组成。与现有的压阻传感元件相比，该元件具有高灵敏度系数GF值，同时由于非晶碳的各向同性，其在各个方向的灵敏度相同，并且可通过改变工艺参数对GF值进行调控；另外，该元件可在强酸碱环境、摩擦接触服役等特殊环境及工况下工作，因此具有良好的应用前景。

Description

一种压阻传感元件及其制备方法

技术领域

本发明属于压阻传感器件技术领域，尤其涉及一种压阻传感元件及其制备方法。

背景技术

目前，以单晶Si、多晶Si、Ge以及硅锗合金为代表的压阻微机电系统(MEMs)得到了广泛的研究与应用。但是，随着电子信息、航空航天、海洋、生物医药等高技术产业的日益发展，传统的硅锗基MEMs系统用的应变和压阻传感器已难以满足更苛刻的服役性能要求，需要研究发展新型的应变传感材料和传感器。

在压阻传感材料中，灵敏度系数GF值定义为电阻变化率与形变变化率的比值，是压阻材料的重要参数之一，反映了压阻材料的灵敏程度。

单晶硅具有较高的GF值(～100)，应用广泛，但是制备成本较高，并且具有各向异性。多晶Si制备成本较低，被广泛应用于压阻传感器，可实现微型化和集成化趋势，但是普通多晶Si的GF值均低于30，使其灵敏度受到极大限制。

另外，在特殊环境以及特殊工况下工作时，对压阻传感器的性能提出了更高的要求。例如，在强酸碱环境中工作时，要求压阻传感器具有良好的耐酸碱性能，在摩擦接触工况中工作时，要求压阻传感器具有良好的耐摩擦性能。

鉴于此，传统的硅锗基压阻MEMs系统已面临性能极限挑战，迫切需要开发新型的压阻传感元件。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种新型结构的压阻传感元件，其具有高灵敏度系数GF值，并且兼具高机械性能、耐腐蚀性能等。

为了实现上述技术目的，本发明人经过大量实验探索研究后，以类金刚石碳膜为压阻材料，设计了本发明的压阻传感元件。

类金刚石碳膜，英文名称为Diamond like carbon，简称为DLC，是一大类无定形碳材料的统称。通常，DLC薄膜主要是由C-C之间通过sp²共价键和sp³共价键形成的不规则空间网状结构，具有各向同性。DLC薄膜具有许多与金刚石薄膜相似的特性，比如高硬度和模量、低摩擦系数、高化学惰性、透光性、电绝缘性、耐腐蚀性和生物相容性，因此具有广泛的应用前景。此外，DLC薄膜可以采用多种方法进行制备，包括离子束沉积、溅射沉积、真空阴极电弧沉积、脉冲激光沉积、等离子体浸没离子注入沉积、直接光化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、电化学液相沉积、聚合物热解法等。其中，离子束和磁控溅射等PVD技术具有低温大面积沉积的优点。

即，本发明采用的技术方案为：一种压阻传感元件，如图1所示，由衬底、类金刚石碳膜、金属电极组成，类金刚石碳膜位于衬底表面，金属电极位于类金刚石碳膜表面。

所述的类金刚石碳膜是由碳的金刚石相sp³和石墨相sp²杂化态混合形成的无定形材料，具有各向同性。

所述的衬底不限，包括PET、PI、PMMA、Al₂O₃、玻璃等。

所述的金属电极材料不限，包括W、Cr、Ti、Al、Ag等。

所述的类金刚石碳膜的厚度不限，作为优选，厚度为200～700nm。

本发明还提供了一种制备上述压阻传感元件的方法，包括如下步骤：

步骤1：将衬底置于真空腔室中，利用氩离子刻蚀衬底表面；

步骤2：向镀膜腔室内通入碳氢气体，通过阳极层离子源离化后在衬底表面沉积类金刚石碳膜，离子源电流为0.1A～0.5A，腔体内气体压力为0.2Pa～1Pa，衬底直流脉冲偏压为-50V～-400V；

步骤3：将步骤2得到的表面沉积类金刚石碳膜的衬底从镀膜腔室中取出，在类金刚石碳膜表面留出待沉积电极区域，其余的区域采用掩模板覆盖，然后再次放入腔体中，采用磁控溅射技术在待沉积区域溅射沉积金属电极；溅射气体为Ar，溅射靶电流为1～5A，腔体内压力为0.2Pa～0.5Pa，衬底直流脉冲偏压为-50V～-100V。

所述的步骤2中，碳氢气体包括C₂H₂、CH₄、C₆H₆等气体中的一种或几种。

所述的步骤3中，金属电极材料包括W、Cr、Ti、Al、Ag等。

综上所述，本发明以类金刚石碳膜为压阻材料，在衬底表面设置类金刚石碳膜，在类金刚石碳膜表面设置金属电极，组成压阻传感元件。与现有的压阻传感元件相比，本发明的压阻传感元件具有如下技术优点：

(1)与具有高灵敏度系数但是各项异性的单晶硅，以及各项同性但是灵敏度系数较低的多晶硅传感元件相比，该基于非晶碳的压阻传感元件具有高灵敏度系数，并且其非晶结构决定了该压阻传感元件具有各向同性，在各个方向的灵敏度相同；

(2)该压阻传感元件的非晶碳膜在摩擦过程中可以转化为层状石墨，可以起到耐磨减摩的作用，因而该元件能够适用于接触与摩擦存在的传感应用；

(3)该压阻传感元件具有极好的化学惰性，可以适用于强酸性以及碱性等腐蚀服役环境；

(4)该压阻传感元件具有高的弹性模量与硬度等机械特性，利于MEMs系统的力学稳定性；

(5)该压阻传感元件以类金刚石碳膜为压阻材料，其电子输运是由非晶碳的跳跃机制控制，电子输运受到sp³网络结构中导电sp²团簇石墨相之间的距离以及sp²团簇的大小控制，因而通过调控实验参数，例如碳源种类和衬底偏压等，能够改变非晶碳膜的sp²和sp³含量，以及sp²团簇尺寸，从而能够对元件的GF值进行调控。

附图说明

图1是本发明压阻传感元件的结构示意图；

图2是本发明实施例1中压阻传感元件的电阻变化率随形变的变化关系图；

图3是本发明实施例2中压阻传感元件的电阻变化率随形变的变化关系图。

具体实施方式

下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1中的附图标记为：1-衬底，2-非晶碳膜，3-金属电极。

实施例1：

本实施例中，压阻传感元件结构如图1所示，由PET衬底1、非晶碳膜2、金属电极3组成，类金刚石碳膜2位于衬底1表面，金属电极3位于类金刚石碳膜2表面。

该压阻传感元件的制备方法包括如下步骤：

(1)PET衬底经乙醇超声清洗，烘干后置于真空腔体内，预抽真空到2.5×10^-3Pa；通过阳极层离子源往腔体里通入氩气，使气压维持在0.37Pa，在衬底上施加-100V的直流脉冲偏压，开启阳极层离子源，电流为0.2A，利用电离氩离子刻蚀衬底表面，此过程维持5分钟；

(2)通过阳极层离子源往腔体通入C₂H₂气体沉积非晶碳膜，保持腔体气压在0.23Pa，电流在0.2A，衬底脉冲偏压为-150V；

(3)将步骤(2)得到的表面沉积非晶碳膜的衬底从腔体中取出，在非晶碳膜表面留出2处约为2mm×1mm的待沉积电极区域，其余区域采用掩模板覆盖，然后再次放入腔体中，采用磁控溅射技术在待沉积电极区域溅射沉积金属Cr电极，溅射气体为Ar，靶电流为2.5A，保持腔体气压在0.3Pa，衬底直流脉冲偏压为-100V。

上述制得的压阻传感元件进行压阻效应测试，即对该压阻传感元件进行拉伸，观察其电阻变化。采用测微拉伸装置及半导体参数仪，通过测微拉伸装置对该压阻传感元件施加形变；通过半导体参数仪测试该压阻传感元件在室温下的I-V曲线，计算出线性接触区的电阻值R；得到图2所示的电阻变化率随形变变化率的变化关系图，通过如下公式：

(R0为初始电阻值，R为拉伸后薄膜电阻值，ε为对应的拉伸应变)，得到最大GF值约为160。

对比实施例1：

本实施例是上述实施例1的对比实施例。

本实施例中，压阻传感元件结构与实施例完全相同。

本实施例中，压阻传感元件的制备方法与实施例1基本相同，所不同的是：步骤(2)中的衬底脉冲偏压调整为-200V，从而调整薄膜中的sp²和sp³含量。

上述制得的压阻传感元件进行压阻效应测试，测试方法与实施例1完全相同，得到其GF最大值为55.98。

实施例2：

本实施例中，压阻传感元件结构如图1所示，由Al₂O₃衬底、非晶碳膜、金属电极组成，类金刚石碳膜位于衬底表面，金属电极位于类金刚石碳膜表面。

该压阻传感元件的制备方法包括如下步骤：

(1)Al₂O₃衬底经乙醇超声清洗，烘干后置于真空腔体内，预抽真空到2.0×10^-3Pa；往腔体里通入氩气，使气压维持在1Pa，在衬底上施加-50V的脉冲偏压，利用电离氩离子刻蚀衬底表面，此过程维持20分钟；

(2)通过阳极层离子源往腔体通入C₂H₂气体沉积非晶碳膜，保持腔体气压在0.3Pa，电流在0.2A，衬底脉冲偏压为-50V。

(3)将步骤(2)得到的表面沉积非晶碳膜的衬底从腔体中取出，在非晶碳膜表面留出2处约为2mm×1mm待沉积电极区域，其余区域采用掩模板覆盖，然后再次放入腔体中，采用磁控溅射技术在待沉积电极区域溅射沉积金属Al电极，溅射气体为Ar，靶电流为2A，保持腔体气压在0.3Pa，衬底直流脉冲偏压为-100V。

上述制得的压阻传感元件进行压阻效应测试，即对该压阻传感元件进行拉伸，观察其电阻变化。采用测微拉伸装置及半导体参数仪，通过测微拉伸装置对该压阻传感元件施加形变；通过半导体参数仪测试该压阻传感元件在室温下的I-V曲线，计算出线性接触区的电阻值R；得到图3所示的电阻变化率随形变变化率的变化关系图，通过如下公式：

(R0为初始电阻值，R为拉伸后薄膜电阻拉伸后薄膜电阻值，ε为对应的拉伸应变)，得到其最大GF值约为100。

对比实施例2：

本实施例是上述实施例2的对比实施例。

本实施例中，压阻传感元件结构与实施例2完全相同。

本实施例中，压阻传感元件的制备方法与实施例2基本相同，所不同的是：步骤(2)中的衬底脉冲偏压调整为-100V，从而调整薄膜中的sp²和sp³含量。

上述制得的压阻传感元件进行压阻效应测试，测试方法与实施例1完全相同，得到其GF最大值为26.41。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种压阻传感元件，其特征是：由衬底、类金刚石碳膜、金属电极组成，类金刚石碳膜位于衬底表面，金属电极位于类金刚石碳膜表面；

所述的压阻传感元件的制备方法包括如下步骤：

步骤1：将衬底置于真空腔室中，利用氩离子刻蚀衬底表面；

步骤2：向镀膜腔室内通入碳氢气体，通过阳极层离子源离化后在衬底表面沉积类金刚石碳膜，离子源电流为0.1A～0.5A，腔体内气体压力为0.2Pa～1Pa，衬底直流脉冲偏压为-50V～-400V；

步骤3：将步骤2得到的表面沉积类金刚石碳膜的衬底从镀膜腔室中取出，在类金刚石碳膜表面留出待沉积电极区域，其余的区域采用掩模板覆盖，然后再次放入腔体中，采用磁控溅射技术在待沉积区域溅射沉积金属电极；溅射气体为Ar，溅射靶电流为1～5A，腔体内压力为0.2Pa～0.5Pa，衬底直流脉冲偏压为-50V～-100V。

2.如权利要求1所述的压阻传感元件，其特征是：所述的衬底为PET、PI、PMMA、Al₂O₃、玻璃中的一种。

3.如权利要求1所述的压阻传感元件，其特征是：所述的金属电极材料为W、Cr、Ti、Al、Ag中的一种金属或者几种的合金。

4.如权利要求1所述的压阻传感元件，其特征是：所述的类金刚石碳膜的厚度为200～700nm。

5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的压阻传感元件，其特征是：所述的步骤2中，碳氢气体是C₂H₂、CH₄、C₆H₆气体中的一种或几种。