CN108801511A - 基于掺铌钛酸锶阻变薄膜的形变应力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于掺铌钛酸锶阻变薄膜的形变应力传感器的制作方法,主要解决现有形变应力传感器功耗大且不能弯曲的问题。其技术方案是:1.使用脉冲激光沉积技术,在镧锶锰氧做牺牲层的钛酸锶衬底上生长掺铌钛酸锶薄膜;2.在掺铌钛酸锶薄膜表面旋涂聚甲基丙烯酸甲酯,用碘化钾溶液除去镧锶锰氧薄膜;3.将掺铌钛酸锶薄膜转移到后续所需的柔性导电衬底上,在丙酮中浸泡除去聚甲基丙烯酸甲酯;4.在掺铌钛酸锶薄膜表面加电极,完成形变应力传感器的制作。本发明采用掺铌钛酸锶阻变薄膜作为传感材料,耗能小,且提高了应力传感器的灵敏度,实现了传感器的弯曲,满足柔性电子设备的要求,可用于半导体器件的制备。
Description
技术领域
本发明属于微电子技术领域,特别涉及一种形变应力传感器,可用于半导体器件的制备。
背景技术
钛酸锶是一种具有钙钛矿结构的过渡金属氧化物,由于其稳定的结构和独特的性能,钛酸锶被广泛应用于高压电容、高温超导薄膜生长等领域。在钛酸锶这种绝缘的本征半导体中掺入适当的杂质,如铌元素,可使其变为导电的掺杂半导体。而根据肖特基接触理论,掺杂半导体与功函数合适的金属相接触,会在金属—半导体界面处产生一层高电阻的耗尽层,这也就实现了让钛酸锶体内导电而表面绝缘的目的。铌杂质原子与体内聚集的氧空位相比,铌杂质原子不易移动,使虚阴极更加稳定,形成肖特基结。当受到压力后,掺铌钛酸锶体内缺陷浓度会发生改变,使得材料电阻率发生改变,因此掺铌钛酸锶具有良好的压阻效应,是一种很好的阻变材料,即弯曲可以显著改变材料的电阻,用于制作形变应力传感器。
形变应力传感器广泛地应用于航空、动力机械、生物医学工程、显示屏等各个领域。阻变材料是形变应力传感器的基础,目前的阻变材料主要是非晶和多晶材料,由于非晶和多晶材料晶格方向不同,弯曲时受到的应力方向不统一,因而无法建立应力和阻变之间的对应关系,因此只有单晶材料可制作应力传感器。常见的应力传感器是利用单晶硅材料的压阻效应制成的应力传感器,主要原理是单晶硅受力后,晶格产生变形,使载流子发生散射,引起载流子的迁移率发生变化,从而使硅的电阻率发生变化。这种变化随晶体的取向不同而异,因此硅的压阻效应与晶体的取向有关。然而由于目前的单晶硅以体材料为主,无法实现柔性功能,且硅基压阻传感器工作时要求施加恒定电流,功耗大,且灵敏度低。
发明内容
本发明的目的在于针对上述已有技术的不足,提供一种基于掺铌钛酸锶阻变薄膜的形变应力传感器的制作方法,以减小功耗,提高灵敏度,实现柔性功能。
实现本发明目的技术关键是:通过在钛酸锶衬底上生长一层镧锶锰氧薄膜,并在镧锶锰氧薄膜上生长掺铌钛酸锶薄膜,然后用碘化钾溶液腐蚀掉镧锶锰氧薄膜层,将掺铌钛酸锶薄膜转移到后续需要的柔性导电衬底上,再加电极制作成应力传感器,当传感器受到压力时,通过检测传感器内部电阻的变化探测应力的大小。其实现步骤包括如下:
(1)在钛酸锶衬底上生长镧锶锰氧薄膜:
1a)将钛酸锶衬底、镧锶锰氧靶材、掺铌钛酸锶靶材放入脉冲激光沉积系统的反应室中,对反应室抽真空;
1b)向反应室中通入氧气,使反应室的氧压维持在0.1mbar,设定激光器的能量密度为1.1J/cm2和频率为5Hz,设定衬底的温度为700℃,使激光器射出激光,烧灼镧锶锰氧靶材5000次,使烧灼出来的镧锶锰氧等离子体沉积在钛酸锶衬底上,完成镧锶锰氧薄膜的生长;
(2)在镧锶锰氧薄膜上沉积一层掺铌钛酸锶薄膜:
调节通入反应室的氧气,使反应室的氧压维持在0.1mbar,设定激光器的能量密度为1.4J/cm2和频率为5Hz,设定衬底的温度为600℃,使激光器射出激光,烧灼掺铌钛酸锶靶材3000次,以在镧锶锰氧薄膜上沉积掺铌钛酸锶等离子体,得到厚度为90nm的掺铌钛酸锶薄膜;
(3)形成附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜:
在掺铌钛酸锶薄膜的表面旋涂上一层用氯苯稀释1/6的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液,并放在加热台上,在150℃下加热3分钟,在180℃下加热1.5分钟,再自然降温,形成一层附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜;
(4)将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜与衬底分离:
将旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜浸泡在碘化钾溶液中,除去镧锶锰氧薄膜,待薄膜边角微微翘起时,将其取出至清水中,利用水的张力使附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜与衬底脱离;
(5)转移得到高质量自支撑掺铌钛酸锶薄膜:
5a)用后续使用所需的柔性导电衬底捞起漂浮的附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜,放在加热台上,并以3分钟1℃的速度烘干,使掺铌钛酸锶薄膜完全粘附在后续使用所需的柔性衬底上;
5b)将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜放入丙酮溶液中浸泡5分钟,除去表面的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA,得到可弯曲的柔性衬底上的掺铌钛酸锶薄膜;
(6)根据应力传感器不同的电极要求,在掺铌钛酸锶薄膜表面加不同材质或不同结构的电极完成柔性应力传感器的制作。
本发明具有如下优点:
1.本发明由于通过在掺铌钛酸锶薄膜上旋涂一层聚甲基丙烯酸甲酯PMMA,可防止转移过程中薄膜出现破裂。
2.本发明由于去除了镧锶锰氧薄膜,得到自支撑掺铌钛酸锶薄膜,不仅减小了衬底钳制效应而且减小了漏电的问题。
3.本发明由于采用掺铌钛酸锶阻变薄膜制作形变应力传感器,能直接改变缺陷浓度,压阻效应好,因而灵敏度高且耗能低。
4.本发明由于制备了单晶的掺铌钛酸锶薄膜,使得应力分布方向统一,可建立应力与电阻间的对应关系,提高传感器性能。
5.本发明由于采用掺铌钛酸锶薄膜作为传感材料,使得传感器可弯曲,实现柔性功能,可用于可穿戴设备或者贴在皮肤上的柔性电子设备。
附图说明
图1为本发明的实现流程图;
图2为本发明所制备的单面铂金-铂金电极结构的形变应力传感器示意图;
图3为本发明所制备的单面铂金-银电极结构的形变应力传感器示意图;
图4为本发明所制备的双面铂金-铂金电极结构的形变应力传感器示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的及优点更加清楚明白,以下结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不构成对本发明的限定。
参照图1,本发明基于掺铌钛酸锶的形变应力传感器的制备方法,给出如下三种实施例。
实施例1:制作单面铂金-铂金电极结构的形变应力传感器。
步骤1:在钛酸锶衬底上生长镧锶锰氧薄膜。
1a)将钛酸锶衬底、镧锶锰氧靶材、掺铌钛酸锶靶材放入脉冲激光沉积系统的反应室中,对反应室抽真空,直到真空度达到1*10-6mbar以下;
1b)向反应室中通入氧气,使反应室的氧压维持在0.1mbar,设定激光器的能量密度为1.1J/cm2和频率为5Hz,设定衬底的温度为700℃,使激光器射出激光,烧灼镧锶锰氧靶材5000次,使烧灼出来的镧锶锰氧等离子体沉积在钛酸锶衬底上,完成镧锶锰氧薄膜的生长。
步骤2:在镧锶锰氧薄膜上沉积一层掺铌钛酸锶薄膜。
调节通入反应室的氧气,使反应室的氧压维持在0.1mbar,设定激光器的能量密度为1.4J/cm2和频率为5Hz,设定衬底的温度为600℃,使激光器射出激光,烧灼掺铌钛酸锶靶材3000次,以在镧锶锰氧薄膜上沉积掺铌钛酸锶等离子体,得到厚度为90nm的掺铌钛酸锶薄膜。
步骤3:在掺铌钛酸锶薄膜上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
3a)在掺铌钛酸锶薄膜的表面旋涂上一层用氯苯稀释1/6的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液,即先在掺铌钛酸锶薄膜的表面滴上用氯苯稀释1/6的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液;然后设置旋转速度为500转/秒,旋转5秒后,再改变旋转速度为3000转/秒,旋转60秒;
3b)将旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液的掺铌钛酸锶薄膜放在加热台上,在150℃下加热3分钟,在180℃下加热1.5分钟,再自然降温,形成一层附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜。
步骤4:将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜与衬底分离。
将旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜浸泡在碘化钾溶液中,除去镧锶锰氧薄膜,待薄膜边角微微翘起时,将其取出至清水中,利用水的张力使附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜与衬底脱离。
步骤5:通过转移得到高质量自支撑薄膜。
5a)用后续使用所需的柔性导电衬底捞起漂浮的附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜,放在加热台上,并以3分钟1℃的速度烘干,使掺铌钛酸锶薄膜完全粘附在后续使用所需的柔性衬底上;
5b)将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜放入丙酮溶液中浸泡5分钟,除去表面的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA,得到可弯曲的柔性衬底上的掺铌钛酸锶薄膜。
步骤6:在掺铌钛酸锶薄膜上表面的左右两边分别加铂金-铂金电极,如图2所示,完成单面电极结构的形变应力传感器的制作。
实施例2:制作单面铂金-银电极结构的形变应力传感器。
步骤一:在钛酸锶衬底上生长镧锶锰氧薄膜。
本步骤具体实现与实施例1中的步骤1相同。
步骤二:在镧锶锰氧薄膜上沉积一层掺铌钛酸锶薄膜。
本步骤具体实现与实施例1中的步骤2相同。
步骤三:在掺铌钛酸锶薄膜上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
本步骤的具体实现与实施例1中的步骤3相同。
步骤四:将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜与衬底分离。
本步骤具体实现与实施例1中的步骤4相同。
步骤五:通过转移得到高质量自支撑薄膜。
本步骤具体实现与实施例1中的步骤5相同。
步骤六:在掺铌钛酸锶薄膜上表面的左右两边分别加铂金-银电极,如图3所示,完成单面电极结构的形变应力传感器的制作。
实施例3:制作双面铂金-铂金电极结构的形变应力传感器。
步骤A:在钛酸锶衬底上生长镧锶锰氧薄膜。
本步骤具体实现与实施例1中的步骤1相同。
步骤B:在镧锶锰氧薄膜上沉积一层掺铌钛酸锶薄膜。
本步骤具体实现与实施例1中的步骤2相同。
步骤C:在掺铌钛酸锶薄膜上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
本步骤具体实现与实施例1中的步骤3相同。
步骤D:将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜与衬底分离。
本步骤具体实现与实施例1中的步骤4相同。
步骤E:通过转移得到高质量自支撑薄膜。
本步骤具体实现与实施例1中的步骤5相同。
步骤F:在掺铌钛酸锶薄膜的上表面和下表面两边分别加铂金-铂金电极,如图4所示,完成双面电极结构的形变应力传感器的制作。
本发明的工作原理如下:
本发明传感器随着形变应力的改变,传感器内部电阻发生显著变化,因此可以通过检测传感器内部电阻的大小探测施加应力的大小。
上述三种实施例所述后续所需的柔性衬底使用聚对苯二甲酸类塑料PET衬底。
上述描述只是本发明的几个优选实例,并不构成对本发明的限制,对于本领域的专业人员来说,在了解本发明内容和原理后,能够在不背离本发明的原理和范围的情况下,根据本发明的方法进行形式和细节上的各种修正和改变,但是这些基于本发明的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于掺铌钛酸锶阻变薄膜的形变应力传感器,包括:
(1)在钛酸锶衬底上生长镧锶锰氧薄膜:
1a)将钛酸锶衬底、镧锶锰氧靶材、掺铌钛酸锶靶材放入脉冲激光沉积系统的反应室中,对反应室抽真空;
1b)向反应室中通入氧气,使反应室的氧压维持在0.1mbar,设定激光器的能量密度为1.1J/cm2和频率为5Hz,设定衬底的温度为700℃,使激光器射出激光,烧灼镧锶锰氧靶材5000次,使烧灼出来的镧锶锰氧等离子体沉积在钛酸锶衬底上,完成镧锶锰氧薄膜的生长;
(2)在镧锶锰氧薄膜上沉积一层掺铌钛酸锶薄膜:
调节通入反应室的氧气,使反应室的氧压维持在0.1mbar,设定激光器的能量密度为1.4J/cm2和频率为5Hz,设定衬底的温度为600℃,使激光器射出激光,烧灼掺铌钛酸锶靶材3000次,以在镧锶锰氧薄膜上沉积掺铌钛酸锶等离子体,得到厚度为90nm的掺铌钛酸锶薄膜;
(3)形成附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜:
在掺铌钛酸锶薄膜的表面旋涂一层用氯苯稀释1/6的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液,并放在加热台上,在150℃下加热3分钟,在180℃下加热1.5分钟,再自然降温,形成一层附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜;
(4)将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜与衬底分离:
将旋涂了聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜浸泡在碘化钾溶液中,除去镧锶锰氧薄膜,待薄膜边角微微翘起时,将其取出至清水中,利用水的张力使附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜与衬底脱离;
(5)转移得到高质量自支撑掺铌钛酸锶薄膜:
5a)用后续使用所需的柔性导电衬底捞起漂浮的附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜,放在加热台上,并以3分钟1℃的速度烘干,使掺铌钛酸锶薄膜完全粘附在后续使用所需的柔性衬底上;
5b)将附有聚甲基丙烯酸甲酯PMMA的掺铌钛酸锶薄膜放入丙酮溶液中浸泡5分钟,除去表面的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA,得到可弯曲的柔性衬底上的掺铌钛酸锶薄膜;
(6)根据应力传感器不同的电极要求,在掺铌钛酸锶薄膜表面加不同材质或不同结构的电极完成柔性应力传感器的制作。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(1)所述的对反应室抽真空,其真空度要求达到1*10-6mbar以下。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(3)中在掺铌钛酸锶薄膜的表面旋涂一层用氯苯稀释1/6的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液,是先在掺铌钛酸锶薄膜的表面滴上用氯苯稀释1/6的聚甲基丙烯酸甲酯PMMA溶液;然后设置旋转速度为500转/秒,旋转5秒后,再改变旋转速度为3000转/秒,旋转60秒。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(6)中不同材质的电极,包括铂金电极和银电极。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于:步骤(6)不同结构的电极,包括单面电极结构和双面电极结构。
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