CN104089570A - 一种压阻传感元件及其制备方法 - Google Patents
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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
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 (6)
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。
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.制备权利要求1至4中任一权利要求所述的压阻传感元件的方法,其特征是: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。
6.如权利要求5所述的压阻传感元件的制备方法,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。
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