CN104195516B - 金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法 - Google Patents

金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104195516B
CN104195516B CN201410424861.2A CN201410424861A CN104195516B CN 104195516 B CN104195516 B CN 104195516B CN 201410424861 A CN201410424861 A CN 201410424861A CN 104195516 B CN104195516 B CN 104195516B
Authority
CN
China
Prior art keywords
metal
amorphous carbon
sensing element
pressure drag
doped amorphous
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201410424861.2A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104195516A (zh
Inventor
汪爱英
郭鹏
李润伟
张栋
檀洪伟
柯培玲
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Original Assignee
Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS filed Critical Ningbo Institute of Material Technology and Engineering of CAS
Priority to CN201410424861.2A priority Critical patent/CN104195516B/zh
Publication of CN104195516A publication Critical patent/CN104195516A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104195516B publication Critical patent/CN104195516B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Measuring Fluid Pressure (AREA)
  • Pressure Sensors (AREA)
  • Physical Vapour Deposition (AREA)

Abstract

本发明提供了一种金属掺杂非晶碳压阻传感元件。该压阻传感元件由衬底、金属掺杂非晶碳薄膜、金属电极组成，金属掺杂非晶碳薄膜位于衬底表面，金属电极位于金属掺杂非晶碳薄膜表面。与现有的压阻传感元件相比，该压阻传感元件具有较低的TCR值，并且通过调节工艺参数不仅能够调控元件的GF值，而且能够调控元件的TCR值，从而得到同时具有高GF值、低TCR值的压阻传感元件，实现压阻传感元件的高灵敏度、宽温度范围适应性。

Description

金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法
技术领域
本发明属于薄膜传感器领域，尤其涉及一种金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法。
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值以及电阻温度系数TCR是两个重要的参数。其中，GF反映了压阻材料的灵敏程度，定义为电阻变化率与形变变化率的比值；而TCR反映了压阻材料对温度的灵敏程度，定义为两个不同温度下的电阻变化率与温度差之间的比值，单位为K-1。
单晶硅具有较高的GF值(约为100)，应用广泛，但其TCR值也较大，约为1.7×103ppmK-1，另外制备成本较高，并且具有各向异性。
多晶Si制备成本较低，广泛应用于压阻传感器，可实现微型化和集成化趋势，但普通多晶Si的GF值均低于30，这使其灵敏度受到极大限制，并且含H多晶Si的TCR值高达8×104ppmK-1。
类金刚石碳膜，英文名称为Diamond like carbon，简称为DLC，是一类非晶碳膜的统称，可以表现出高GF值，,但同时DLC具有很高的TCR，高达数千ppmK-1，这仍不利于DLC在压阻传感中的实际应用。
因此，对于要求同时具有高灵敏度、宽温度范围适应性，以及摩擦接触的压阻传感，传统的硅锗基压阻MEMs系统以及新型纯非晶碳膜难以满足，这就要求新的压阻材料和压阻元件。
金属掺杂DLC主要是由C的sp2共价键和sp3共价键形成的不规则空间网状结构，金属原子(或者金属碳化物)分布在碳网络基质中。通过调控工艺参数可以改变sp2共价键和sp3共价键比例以及金属原子(或者金属碳化物)的尺寸与分布，从而获得具有高GF以及低TCR的金属掺杂DLC。这种金属掺杂DLC可以采用离子束复合溅射沉积方法进行制备。
发明内容
本发明的技术目的是针对上述技术现状，提供一种压阻传感元件，其同时具有高灵敏度、宽温度范围适应性。
为了实现上述技术目的，本发明人通过大量实验探索后发现，在制备DLC的过程中掺杂金属原子或者金属碳化物，使金属原子或者金属碳化物分布在主要由C的sp2共价键和sp3共价键形成的不规则的碳空间网基质结构中时，通过调控工艺参数(包括碳源种类、基体直流脉冲偏压以及溅射功率等)不仅可以改变sp2共价键和sp3共价键比例，从而获得高GF值，而且可以通过调控掺杂金属含量，从而获得低TCR值。
因此，本发明人提供了一种能够同时具有高灵敏度、宽温度范围适应性的压阻传感元件，具体为：一种金属掺杂非晶碳压阻传感元件，如图1所示，由衬底1、金属掺杂非晶碳薄膜2、金属电极3组成，金属掺杂非晶碳薄膜2位于衬底1表面，金属电极3位于金属掺杂非晶碳薄膜2表面。
所述的金属掺杂非晶碳薄膜是由C的金刚石相sp3和石墨相sp2杂化态以及金属原子或者金属碳化物组成，并含有一定的H原子，金属原子或者金属碳化物分布在主要由C的sp2共价键和sp3共价键形成的不规则的碳空间网基质结构中。所述的掺杂金属包括W、Cr、Ti、Ni、Ag、Cu、Al等中的一种或几种的组合。
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。
本发明还提供了一种制备上述金属掺杂非晶碳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提供碳源，在衬底表面沉积类金刚石碳膜，同时开启磁控溅射源，通入Ar气，在衬底表面溅射沉积金属原子，离子源电流为0.1A～0.5A，磁控靶电流为1.2A～5A，腔体内气体压力为0.2Pa～1Pa，基体直流脉冲偏压为-50V～-400V；所述的碳氢气体包括C2H2、CH4、C6H6等气体中的一种或几种。
步骤3：将步骤2得到的表面沉积金属掺杂非晶碳膜的衬底从镀膜腔室中取出，在金属掺杂非晶碳膜表面留出待沉积电极区域，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区域溅射沉积金属电极。
作为优选，所述的步骤3中，溅射气体为Ar，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。
对上述制得的基于金属掺杂非晶碳的压阻传感元件的压阻效应进行研究，得到：其电子输运是由非晶碳基质中分布的金属原子或者金属碳化物团簇间的跳跃机制控制，电子输运受到金属原子或者金属碳化物团簇之间的距离以及团簇尺寸控制，并可能受到导电sp2团簇的影响，因而通过调控步骤2中的工艺参数，如碳源种类、基体直流脉冲偏压以及溅射功率等，不仅能够改变薄膜的sp2和sp3含量、金属原子或者金属碳化物团簇的尺寸与分布，从而对元件的GF值进行调控；而且能够改变薄膜中金属元素含量，从而对元件的TCR值进行调控。因此，通过调控步骤2中的工艺参数，能够得到同时具有高GF值、低TCR值的压阻传感元件，实现压阻传感元件的高灵敏度、宽温度范围适应性。作为优选，通过调节步骤2中的磁控靶电流来调节压阻传感元件的GF值与TCR值。
综上所述，本发明以金属掺杂非晶碳膜为压阻材料，在衬底表面设置金属掺杂非晶碳膜，在金属掺杂非晶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各项异性的单晶硅，以及具有各项同性但低灵敏度系数的多晶硅传感元件相比，该压阻传感元件通过调节工艺参数能够具有高灵敏度系数，其GF值在200～600，并且非晶结构决定了其具有各向同性，各个方向的灵敏度相同；
(2)同时，与具有高灵敏度系数但各项异性的单晶硅、具有各项同性但低灵敏度系数的多晶硅传感元件，以及由类金刚石碳膜材料构成的传感元件相比，该压阻传感元件具有低的TCR值，其TCR值为190～980ppmK-1，能够适用较宽温度范围的传感应用；并且，通过调节工艺参数改变其金属元素含量，能够进一步调控其TCR值；
(3)该压阻传感元件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，因而能够适用于接触与摩擦存在的传感应用；
(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。
附图说明
图1是本发明金属掺杂非晶碳压阻传感元件的结构示意图；
图2是本发明实施例1的压阻传感元件在加载卸载阶段的灵敏度系数随应变变化关系图；
图3是本发明实施例1的压阻传感元件的电阻率随温度变化关系图；
图4是本发明实施例2的压阻传感元件在加载卸载阶段的灵敏度系数随应变变化关系图；
图5是本发明实施例2的压阻传感元件的电阻率随温度变化关系图；
图6是本发明实施例3的压阻传感元件在加载卸载阶段的灵敏度系数随应变变化关系图；
图7是本发明实施例3的压阻传感元件的电阻率随温度变化关系图。
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-金属掺杂非晶碳薄膜，3-金属电极。
实施例1：
本实施例中，压阻传感元件由PET衬底、钨掺杂非晶碳薄膜以及金属Cr电极组成，钨掺杂非晶碳薄膜位于PET衬底表面，金属Cr电极位于钨掺杂非晶碳薄膜表面。
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镀膜腔体里通入氩气，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基体表面，此过程维持5分钟；
(2)通过阳极层离子源往镀膜腔体里通入C2H2气体提供碳源，同时开启磁控溅射源，通入Ar气，溅射钨靶；保持腔体气压在0.6Pa，离子束电流在0.2A，溅射靶电流为2A，基体脉冲偏压为-100V；
(3)将步骤(2)得到的表面沉积钨掺杂非晶碳薄膜的衬底从腔体中取出，在钨掺杂非晶碳膜表面留出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。
对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，得到电阻变化率随应变变化关系，通过如下公式：
其中，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，得到图2所示的灵敏度系数随应变变化关系图，其最大GF值约为204。
采用四点法，通过综合物理性能测试系统测试上述制得的压阻传感元件在300K～400K范围的电阻率随温度变化关系，结果如图3所示，通过如下公式：
其中，R0为初始温度T0的电阻值，R为温度T下的薄膜电阻值，得到TCR值约为567ppmK-1。
实施例2：
本实施例中，压阻传感元件的结构与实施例1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中的制备方法基本相同，所不同的是，步骤(2)中溅射靶电流为1.8A。
对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，得到电阻变化率随应变变化关系，通过如下公式：
其中，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，得到图4所示的灵敏度系数随应变变化关系图，其最大GF值约为565。
采用四点法，通过综合物理性能测试系统测试上述制得的压阻传感元件在300K～400K范围的电阻率随温度变化关系，结果如图5所示，通过如下公式：
其中，R0为初始温度T0的电阻值，R为温度T下的薄膜电阻值，得到TCR值约为190ppmK-1。
实施例3：
本实施例中，压阻传感元件由Al2O3衬底、钨掺杂非晶碳薄膜以及金属Al电极组成，钨掺杂非晶碳薄膜位于Al2O3衬底表面，金属Al电极位于钨掺杂非晶碳薄膜表面。
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；往镀膜腔体里通入氩气，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镀膜腔体里通入C2H2气体提供碳源，同时开启磁控溅射源，通入Ar气，溅射钨靶；保持腔体气压在0.6Pa，离子束电流在0.2A，溅射靶电流为1.4A，衬底脉冲偏压为-100V；
(3)将步骤(2)得到的表面沉积钨掺杂非晶碳薄膜的衬底从腔体中取出，在钨掺杂非晶碳膜表面留出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，采用磁控溅射技术制备金属Al电极，溅射气体为Ar，靶电流为2A，保持腔体气压在0.3Pa，基体直流脉冲偏压为-100V。
对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，得到电阻变化率随应变变化关系，通过如下公式：
其中，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，得到图6所示的灵敏度系数随应变变化关系图，其最大GF值约为521。
采用四点法，通过综合物理性能测试系统测试上述制得的压阻传感元件在300K～400K范围的电阻率随温度变化关系图，如图7所示，通过如下公式：
其中，R0为初始温度T0的电阻值，R为温度T下的薄膜电阻值，得到TCR值约为378ppmK-1。
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)

1.一种金属掺杂非晶碳压阻传感元件，其特征是：由衬底、金属掺杂非晶碳薄膜、金属电极组成，金属掺杂非晶碳薄膜位于衬底表面，金属电极位于金属掺杂非晶碳薄膜表面；
所述金属掺杂非晶碳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提供碳源，在衬底表面沉积类金刚石碳膜，同时开启磁控溅射源，通入Ar气，在衬底表面溅射沉积金属原子，离子源电流为0.1A～0.5A，磁控靶电流为1.2A～5A，腔体内气体压力为0.2Pa～1Pa，基体直流脉冲偏压为-50V～-400V；
步骤3：将步骤2得到的表面沉积金属掺杂非晶碳膜的衬底从镀膜腔室中取出，在金属掺杂非晶碳膜表面留出待沉积电极区域，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区域溅射沉积金属电极；
所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件的TCR值为190～980ppmK-1，GF值为200～600；
所述的掺杂金属为W。
2.如权利要求1所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件，其特征是：所述的衬底为PET、PI、PMMA、Al2O3或者玻璃。
3.如权利要求1所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件，其特征是：所述的金属电极材料为W、Cr、Ti、Al、Ag中的一种或几种的组合。
4.如权利要求1所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件，其特征是：所述的步骤3中，溅射气体为Ar，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。
5.调控权利要求1所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件的GF值与TCR值的方法，其特征是：通过调控步骤2中的碳源种类、基体直流脉冲偏压以及溅射功率，调控金属掺杂非晶碳压阻传感元件GF值与TCR值。
6.调控权利要求1所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件的GF值与TCR值的方法，其特征是：通过调控步骤2中的磁控靶电流，调控金属掺杂非晶碳压阻传感元件GF值与TCR值。
CN201410424861.2A 2014-08-26 2014-08-26 金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法 Active CN104195516B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410424861.2A CN104195516B (zh) 2014-08-26 2014-08-26 金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201410424861.2A CN104195516B (zh) 2014-08-26 2014-08-26 金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104195516A CN104195516A (zh) 2014-12-10
CN104195516B true CN104195516B (zh) 2017-10-03

Family

ID=52080877

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201410424861.2A Active CN104195516B (zh) 2014-08-26 2014-08-26 金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104195516B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104928639B (zh) * 2015-06-16 2017-10-10 广东工业大学 一种超强韧碳基表面防护涂层及其制备方法
CN105241569B (zh) * 2015-09-21 2018-01-30 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种金属掺杂非晶碳薄膜温度传感元件及其制备方法
CN106801218A (zh) * 2017-02-15 2017-06-06 苏州思创源博电子科技有限公司 一种碳银碳半导体薄膜材料的制备方法
CN107881466B (zh) * 2017-11-03 2020-10-20 南京工业大学 一种银掺杂类石墨碳涂层及其制备方法
CN113720255B (zh) * 2021-08-30 2024-05-31 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 基于裂纹褶皱结构的非晶碳基柔性传感器及其制备方法
CN114440757A (zh) * 2021-12-08 2022-05-06 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器及其制法
CN115896720A (zh) * 2022-10-26 2023-04-04 广东工业大学 一种压力传感薄膜材料及其制备方法和应用
CN116695081B (zh) * 2023-08-01 2023-12-15 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种复合非晶碳薄膜压敏材料及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN104195516A (zh) 2014-12-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN104195516B (zh) 金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法
CN105241569B (zh) 一种金属掺杂非晶碳薄膜温度传感元件及其制备方法
US8198978B2 (en) Film resistor with a constant temperature coefficient and production of a film resistor of this type
CN104089570B (zh) 一种压阻传感元件及其制备方法
KR102622490B1 (ko) 도핑된 탄소층을 제조하기 위한 코팅원
Koppert et al. Nickel containing diamond like carbon thin films
CN102216487A (zh) 硬质多层膜成型体及其制造方法
CN101113516A (zh) 一种纳米复合类金刚石涂层制备方法
Khojier et al. Annealing temperature effect on the mechanical and tribological properties of molybdenum nitride thin films
Schultes et al. Strain sensitivity of nickel-containing amorphous hydrogenated carbon (Ni: aC: H) thin films prepared by rf sputtering using substrate bias conditions
JP2019512597A (ja) ジルコニウム接着膜を備えた水素フリー炭素被覆部
Petersen et al. Diamond-like carbon films as piezoresistors in highly sensitive force sensors
Meškinis et al. Bias effects on structure and piezoresistive properties of DLC: Ag thin films
Izak et al. Comparative study on dry etching of polycrystalline diamond thin films
CN104229776A (zh) 制造石墨烯的方法及通过所述方法制造的石墨烯
CN105506566B (zh) 一种弹性硬质润滑纳米复合薄膜材料的制备方法
Saikia et al. Role of substrate and deposition conditions on the texture evolution of titanium nitride thin film on bare and plasma-nitrided high-speed steel
CN101469402A (zh) 类富勒烯碳膜的制备方法
Morell et al. Synthesis, structure, and field emission properties of sulfur-doped nanocrystalline diamond
CN109972082A (zh) 采用闭合场-磁控溅射沉积技术制备碳基多层薄膜的方法
CN108611613A (zh) 一种纳米多层结构碳基薄膜的制备方法
Tang et al. Surface morphology of α-SIC coatings deposited by RF magnetron sputtering
Schmidl et al. The influence of deposition parameters on Ti/Pt film growth by confocal sputtering and the temperature dependent resistance behavior using SiOx and Al2O3 substrates
CN113529031B (zh) 类金刚石薄膜及制备方法
Meškinis et al. Piezoresistive properties and structure of hydrogen-free DLC films deposited by DC and pulsed-DC unbalanced magnetron sputtering

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant