CN105547535B - 用于薄膜压力传感器的应变薄膜及其制备方法、薄膜压力传感器芯体 - Google Patents

用于薄膜压力传感器的应变薄膜及其制备方法、薄膜压力传感器芯体 Download PDF

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Abstract

发明公开了一种用于薄膜压力传感器的应变薄膜及其制备方法、薄膜压力传感器芯体。该应变薄膜为氮化钽薄膜；该制备方法包括：（1）采用离子束溅射沉积方法轰击氮化钽靶，在薄膜传感器所需弹性基底上沉积氮化钽薄膜预备层；（2）进行退火处理，得到用于薄膜压力传感器的应变薄膜。薄膜压力传感器芯体包括依次设于弹性基底之上的缓冲层、绝缘层和氮化钽薄膜电阻层。本发明的用于薄膜压力传感器的应变薄膜及制备方法所制备的应变薄膜具有高应变因子、低电阻温度系数、良好电导率的优点，薄膜压力传感器芯体具有高灵敏度、在恶劣环境下具有高可靠性的优点。

Description

用于薄膜压力传感器的应变薄膜及其制备方法、薄膜压力传 感器芯体
技术领域
本发明属于本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种用于薄膜压力传感器的应变薄膜及其制备方法、还涉及一种薄膜压力传感器芯体。
背景技术
薄膜传感器被称为第三代传感器，由于薄膜压力传感器采用的是物理气相沉积的方法制备，能满足高温、湿热、腐蚀、震动等恶劣环境下使用。薄膜压力传感器由于其优异的稳定性和恶劣环境适应性在航空、航天领域、石油工业及汽车等领域得到了广泛应用。
目前，薄膜压力传感器芯体主要使用的应变材料是镍铬合金，但是由于镍铬合金应变因子低于2.5，因此限制了传感器的灵敏度，又因为镍铬合金在空气、水汽长时间作用下，合金组分中的铬容易被氧化成氧化铬，进而改变传感器应变电阻的电阻值，因此降低了在恶劣环境下测量应变的可靠性，不适合于恶劣环境下测量应变。因此，开发具有高灵敏度、耐恶劣环境的应变材料对于薄膜压力传感器的性能十分重要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种具有高应变因子、低电阻温度系数、良好电导率的用于薄膜压力传感器的应变薄膜及其制备方法，还提供一种高灵敏度、在恶劣环境下具有高可靠性的薄膜压力传感器芯体。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种用于薄膜压力传感器的应变薄膜，所述用于薄膜压力传感器的应变薄膜为氮化钽薄膜。
上述的用于薄膜压力传感器的应变薄膜，优选的，所述氮化钽薄膜成分为TaNx，其中x为0.5～1。
上述的用于薄膜压力传感器的应变薄膜，优选的，所述氮化钽薄膜的厚度为150nm～400nm。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种上述的用于薄膜压力传感器的应变薄膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）采用离子束溅射沉积方法轰击氮化钽靶，在薄膜传感器所需弹性基底上沉积氮化钽薄膜预备层；
（2）对所述氮化钽薄膜预备层进行退火处理，得到用于薄膜压力传感器的应变薄膜。
上述的用于薄膜压力传感器的应变薄膜的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，离子束溅射镀膜的工艺过程包括：采用聚焦腔卡夫曼离子源，阳极电压为45V～60V，阴极电流为12 A～16A，屏栅电压为600 V～1000V，束流为50mA～100mA，加速电压60V～120V，本底真空度小于5×10-4Pa，工作气压为2.0×10-2Pa～2.8×10-2Pa。
上述的用于薄膜压力传感器的应变薄膜的制备方法，优选的，所述退火处理的工艺过程为：在氮气气氛下，升温至650℃～850℃，保温35 min～55min。
上述的用于薄膜压力传感器的应变薄膜的制备方法，优选的，所述步骤（1）中，离子束溅射镀膜的工艺过程还包括：在沉积氮化钽薄膜预备层的同时，采用辅助离子源轰击沉积中的氮化钽薄膜预备层，所述辅助离子源为氩气和氮气的混合气体，氮气的体积百分比为0.03%～0.1%，采用卡夫曼离子源，阳极电压为45 V～60V，阴极电流为10 A～15A，屏栅电压为400 V～800V，束流为50mA～100mA，加速电压60V～120V。
作为一个总的发明构思，本发明还提供一种薄膜压力传感器芯体，包括弹性基底、缓冲层和绝缘层，还包括上述的用于薄膜压力传感器的应变薄膜或上述的用于薄膜压力传感器的应变薄膜的制备方法制备的应变薄膜所形成的应变薄膜电阻层，所述缓冲层、绝缘层和应变薄膜电阻层依次设于弹性基底之上。
上述的薄膜压力传感器芯体，优选的，所述缓冲层为氧化钽薄膜，厚度为0.5μm～1μm。
上述的薄膜压力传感器芯体，优选的，所述绝缘层为二氧化硅薄膜，厚度为2.5μm～3μm。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明采用氮化钽作为薄膜压力传感器的应变薄膜，氮化钽材料现普遍应用电阻薄膜中，应用于电阻薄膜中的氮化钽薄膜具有熔点高、电阻温度系数小和稳定性高等特点，另外，已有研究表明，氮化钽材料的应变因子可以达到3.8，因此，氮化钽材料作为薄膜压力传感器的应变薄膜具有潜在的应用前景。
2、自然界中氮化钽存在多种形态，如TaN，Ta2N、Ta5N6、Ta4N5等，不同形态的氮化钽性能各异。本发明的氮化钽薄膜成分为TaNx，其中x为0.5～1，实验结果表明，本发明的氮化钽薄膜在膜厚为150nm～400nm的条件下应变因子大于等于3.5，方块电阻为5Ω/□～15Ω/□，电阻温度系数介于－50ppm～50ppm之间。
3、本发明采用离子束溅射沉积+高温退火相结合来制备薄膜压力传感器的应变薄膜，高温退火可以降低氮化钽薄膜的电阻温度系数，采用该方法制备的氮化钽薄膜具有高灵敏系数及电阻率、低温度系数、较高稳定性，与基底结合力强等特点。
4、采用溅射法工艺制备的氮化钽薄膜为多种形态的氮化钽共存，因此，不同工艺参数制备的氮化钽薄膜成分及性能也有差异。进一步的，本发明通过增加辅助离子源辅助沉积、优化镀膜参数和退火工艺参数，增加辅助离子源沉积可以补充氮化钽薄膜在溅射过程中损失的N原子，形成缺陷少，附着力好的薄膜，所制备的薄膜压力传感器用应变材料制成的氮化钽薄膜在膜厚为150nm～400nm的条件下应变因子大于等于3.5，方块电阻为5Ω/□～15Ω/□，电阻温度系数在－50ppm～50ppm之间。这些特性是制备高灵敏度、耐恶劣环境薄膜压力传感器的关键参数。
具体实施方式
以下结合具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
实施例1：
一种本发明的用于薄膜压力传感器的应变薄膜，该用于薄膜压力传感器的应变薄膜为氮化钽薄膜。
本实施例中，氮化钽薄膜成分为TaN0.56。
本实施例中，该氮化钽薄膜的厚度为350nm。
不同形态的氮化钽性能各异，实验结果表明，氮化钽薄膜成分越接近Ta2N，则越符合薄膜压力传感器用应变薄膜要求。本实施例的氮化钽薄膜在膜厚为350nm的时应变因子为3.5，方块电阻为12Ω/□，电阻温度系数为-40ppm，这些特性均是制备高灵敏度、耐恶劣环境薄膜压力传感器的关键参数。
一种上述本实施例的用于薄膜压力传感器的应变薄膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）采用离子束溅射沉积方法轰击氮化钽靶，在薄膜传感器所需弹性基底上沉积氮化钽薄膜预备层；
（2）对氮化钽薄膜预备层进行高温退火处理，得到用于薄膜压力传感器的应变薄膜。
本实施例中，离子束溅射镀膜的工艺参数及工艺过程为：阳极电压为45V，阴极电流为13A，屏栅电压为600V，束流为50mA，加速电压为100V，本底真空度为4.9×10-4Pa，工作气压为2.4×10-2Pa。在沉积氮化钽薄膜预备层的同时，采用辅助离子源轰击沉积中的氮化钽薄膜预备层，辅助离子源为氩气和氮气的混合气体，氮气的体积百分含量为0.1%，辅助离子源采用平行腔的卡夫曼离子源，阳极电压为45V，阴极电流为12A，屏栅电压为600V，束流为50mA，加速电压80V。
本实施例中，高温退火处理的工艺过程为：在氮气气氛下，升温至700℃，保温40min。
本实施例制备的用于薄膜压力传感器的应变薄膜，成分为TaN0.56，厚度为350nm，应变因子为3.5，方块电阻为12Ω/□，电阻温度系数为-40ppm。
在合适的离子束溅射镀膜工艺条件和合适的退火处理工艺条件配合下，本发明所制备的用于薄膜压力传感器的应变薄膜，成分为TaNx，其中x为0.5～1，厚度在150nm～400nm之间，应变因子大于等于3.5，方块方阻在5Ω/□～15Ω/□之间，电阻温度系数在－50ppm～50ppm之间，这些特性是制备高灵敏度、耐恶劣环境薄膜压力传感器的关键参数。
合适的离子束溅射镀膜工艺条件为：采用聚焦腔卡夫曼离子源，阳极电压为45 V～60V，阴极电流为12 A～16A，屏栅电压为600 V～1000V，束流为50mA～100mA，加速电压60V～120V，本底真空度小于5×10-4Pa，工作气压为2.0×10-2Pa～2.8×10-2Pa；在沉积氮化钽薄膜预备层的同时，采用辅助离子源轰击沉积中的氮化钽薄膜预备层，所述辅助离子源为氩气和氮气的混合气体，氮气的体积百分比为0.03%～0.1%，辅助离子源采用平行腔的卡夫曼离子源，阳极电压为45V～60V，阴极电流为10A～15A，屏栅电压为400 V～800V，束流为50mA～100mA，加速电压60V～120V。
合适的退火处理工艺条件为：在氮气气氛下，升温至650℃～850℃，保温35 min～55min。
实施例2：
一种本发明的薄膜压力传感器芯体，包括一弹性基底，该弹性基底上设有薄膜功能层，该薄膜功能层包括缓冲层、绝缘层和实施例1的薄膜压力传感器用应变材料形成的氮化钽薄膜电阻层，缓冲层、绝缘层和氮化钽薄膜电阻层依次设于弹性基底之上。
本实施例中，缓冲层为氧化钽薄膜，厚度为0.5μm。
本实施例中，绝缘层为二氧化硅薄膜，厚度为3μm。
一种上述本实施例的薄膜压力传感器芯体的制备方法，包括以下步骤：
（1）选用不锈钢弹性基底作为本实施例的弹性基底，通过机械磨盘研磨抛光完成该不锈钢弹性基底的平坦化处理。
（2）采用离子束溅射镀膜的方法在经过步骤（1）处理的不锈钢弹性基底上沉积缓冲层和绝缘层。
（3）采用实施例1的离子束溅射沉积工艺在绝缘层上沉积氮化钽薄膜，并采用实施例1的高温退火处理工艺完成该氮化钽薄膜的高温退火处理。
（4）通过离子束刻蚀经步骤（3）处理的氮化钽薄膜，形成四个电阻桥组成惠斯通全桥电路，内电阻分布在靠近弹性体应变区域的中心，外电阻分布在靠近应变区域的边缘。
（5）利用光刻技术加工形成电极图案，利用离子束溅射沉积工艺依次沉积金属镍铬10nm、金属铂50nm及金电极1000nm；
（6）利用光刻技术加工形成钝化层图案，利用离子束溅射沉积工艺沉积钝化层300nm；
试验表明，本发明的薄膜压力传感器芯体所制备的薄膜压力传感器，灵敏度可以达到2mV/V，优于传统镍铬合金的1.5mV/V，在150℃高温试验箱中进行了长期的数据监测，其零点变化率小于30μV。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于薄膜压力传感器的应变薄膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）采用离子束溅射沉积方法轰击氮化钽靶，在薄膜传感器所需弹性基底上沉积氮化钽薄膜预备层；
（2）对所述氮化钽薄膜预备层进行退火处理，得到用于薄膜压力传感器的应变薄膜；
所述步骤（1）中，采用离子束溅射沉积方法轰击氮化钽靶的工艺过程包括：采用聚焦腔卡夫曼离子源，阳极电压为45V～60V，阴极电流为12 A～16A，屏栅电压为600 V～1000V，束流为50mA～100mA，加速电压60V～120V，本底真空度小于5×10-4Pa，工作气压为2.0×10- 2Pa～2.8×10-2Pa；
所述步骤（1）中，采用离子束溅射沉积方法轰击氮化钽靶的工艺过程还包括：在沉积氮化钽薄膜预备层的同时，采用辅助离子源轰击沉积中的氮化钽薄膜预备层，所述辅助离子源为氩气和氮气的混合气体，氮气的体积百分比为0.03%～0.1%，采用卡夫曼离子源，阳极电压为45 V～60V，阴极电流为10 A～15A，屏栅电压为400 V～800V，束流为50mA～100mA，加速电压60V～120V；
所述用于薄膜压力传感器的应变薄膜为氮化钽薄膜。
2.根据权利要求1所述的用于薄膜压力传感器的应变薄膜的制备方法，其特征在于，所述氮化钽薄膜成分为TaNx，其中x为0.5～1。
3.根据权利要求1或2所述的用于薄膜压力传感器的应变薄膜的制备方法，其特征在于，所述氮化钽薄膜的厚度为150nm～400nm。
4.根据权利要求1或2所述的用于薄膜压力传感器的应变薄膜的制备方法，其特征在于，所述退火处理的工艺过程为：在氮气气氛下，升温至650℃～850℃，保温35 min～55min。
5.一种薄膜压力传感器芯体，包括弹性基底、缓冲层和绝缘层，其特征在于，还包括如权利要求1～4任一项所述的用于薄膜压力传感器的应变薄膜的制备方法制备的应变薄膜所形成的应变薄膜电阻层，所述缓冲层、绝缘层和应变薄膜电阻层依次设于弹性基底之上。
6.根据权利要求5所述的薄膜压力传感器芯体，其特征在于，所述缓冲层为氧化钽薄膜，厚度为0.5μm～1μm。
7.根据权利要求5或6所述的薄膜压力传感器芯体，其特征在于，所述绝缘层为二氧化硅薄膜，厚度为2.5μm～3μm。
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