CN108801515A

CN108801515A - 一种TiON薄膜压力传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN108801515A
Application number: CN201810538101.2A
Authority: CN
Inventors: 何峰; 周国方; 谢锋; 蓝镇立; 何迎辉; 金忠
Original assignee: CETC 48 Research Institute
Current assignee: CETC 48 Research Institute
Priority date: 2018-05-30
Filing date: 2018-05-30
Publication date: 2018-11-13

Abstract

本发明公开了一种TiON薄膜压力传感器及其制备方法，该TiON薄膜压力传感器包括基底，所述基底上沉积有过渡层，所述过渡层上沉积有绝缘层，所述绝缘层上沉积有应变薄膜层，所述应变薄膜层上沉积有电极层和保护层；所述应变薄膜层为TiON薄膜。其制备方法包括：在基底上沉积过渡层；在过渡层上沉积绝缘层；采用PECVD法缘层上沉积TiON薄膜；在TiON薄膜上沉积电极层；在TiON薄膜上沉积保护层；整体热处理；将电极层与引线组件相连，制备完成。本发明传感器具有灵敏度高、测量精度高、安全性高、可靠性好、耐高温、适合大量程压力测量等优点，其制备方法具有制备工艺简单、生产成本低、生产周期短等优点。

Description

一种TiON薄膜压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于应力测量技术领域，涉及一种薄膜压力传感器及其制备方法，具体涉及一种TiON薄膜压力传感器及其制备方法。

背景技术

现有应力监测方法一般采用薄膜压力传感器，如合金薄膜压力传感器，该合金薄膜压力传感器的功能模块主要由弹性敏感元件、转换元件等部分组成。弹性敏感元件是将被测物理量预先转换为一种易于变换成电信号的物理量的部件。转换元件是能将感受到的物理量直接转换成电信号的部件。合金薄膜应变压力传感器的工作原理可简述为：压力引起电阻变化，通过电阻值变化转换为输出电压变化，实现对压力的准确测量。然而，现有合金薄膜压力传感器中一般采用不锈钢基底作为弹性体材料，NiCr或康铜等金属材料作为应变材料，由此不锈钢弹性体+NiCr或康铜应变膜构成的压力传感器存在灵敏度低、测量精度差等问题。另外，现有金属应变材料一般采用离子束溅射或磁控溅射等物理化学沉积方法制备，存在沉膜速率慢、生产效率低、无法批量生产等缺点，这严重限制了该类传感器产品的大规模推广和应用。与硅基压力传感器相比，合金薄膜压力传感器也没有得到广泛使用。

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，提供一种灵敏度高、测量精度高的TiON薄膜压力传感器，还提供了一种沉膜速率快、生产效率高、可大规模批量生产的TiON薄膜压力传感器的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种TiON薄膜压力传感器，所述TiON薄膜压力传感器包括基底，所述基底上沉积有过渡层，所述过渡层上沉积有绝缘层，所述绝缘层上沉积有应变薄膜层，所述应变薄膜层上沉积有电极层和保护层；所述应变薄膜层为TiON薄膜。

上述的TiON薄膜压力传感器，进一步改进的，所述TiON薄膜的厚度为50nm～200nm。

上述的TiON薄膜压力传感器，进一步改进的，所述基底为呈C型结构的不锈钢材料；所述不锈钢材料为17-4PH；所述基底的弧顶厚度为0.5mm～3mm。

上述的TiON薄膜压力传感器，进一步改进的，所述过渡层为Ta₂O₅层或TiO₂层；所述过渡层的厚度为200nm～500nm。

上述的TiON薄膜压力传感器，进一步改进的，所述绝缘层为SiO₂层；所述绝缘层的厚度为600nm～900nm。

上述的TiON薄膜压力传感器，进一步改进的，所述电极层为Ti-Pt-Au金属薄膜；所述Ti-Pt-Au金属薄膜的厚度为50nm～100nm。

上述的TiON薄膜压力传感器，进一步改进的，所述保护层为SiO₂层；所述保护层的厚度为50nm～100nm。

作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的TiON薄膜压力传感器的制备方法，所述TiON薄膜采用PECVD法制备得到。

上述的制备方法，进一步改进的，包括以下步骤：

S1、在基底上沉积过渡层；

S2、在过渡层上沉积绝缘层；

S3、制备掩膜，在所述绝缘层上沉积TiON薄膜；

S4、更换掩膜，在所述TiON薄膜上沉积电极层；

S5、更换掩膜，在所述TiON薄膜上沉积保护层；

S6、整体热处理；

S7、将电极层与引线组件相连，制备完成。

上述的制备方法，进一步改进的，步骤S1中，采用离子束溅射工艺沉积过渡层；

步骤S2中，采用磁控溅射工艺或离子束溅射工艺沉积绝缘层；

步骤S3、步骤S4、步骤S5中均采用光刻工艺制作掩膜；

步骤S4中，采用离子束溅射工艺沉积电极层；

步骤S5中，采用离子束溅射工艺沉积保护层。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明中提供了一种TiON薄膜压力传感器，以TiON薄膜为应变薄膜层，能够显著提高薄膜压力传感器的灵敏度，其中灵敏度可达4mV/V～5mV/V，而以NiCr合金薄膜为应变薄膜层的薄膜压力传感器的灵敏度仅为1mV/V～2mV/V，具有更好的测量精度，从而本发明的TiON薄膜压力传感器能够保证应力检测的准确性和可靠性。本发明的TiON薄膜压力传感器具有灵敏度高、测量精度高、安全性高、可靠性好、耐高温、适合大量程压力测量等优点。

2、本发明还提供了一种TiON薄膜压力传感器的制备方法，采用PECVD法制备TiON薄膜，具有沉膜速率快、适合大规模制备等优点。本发明制备方法能够制备出满足使用需求的高性能（灵敏度高、测量精度高、安全性高、可靠性好、耐高温、适合大量程压力测量）的TiON薄膜压力传感器，具有制备工艺简单、生产成本低、生产周期短等优点，可实现TiON薄膜压力传感器的大规模批量生产。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1为本发明实施例1中TiON薄膜压力传感器的结构示意图。

图2为本发明实施例1中TiON薄膜压力传感器的制备工艺流程图。

图中各标号表示：

1、基底；2、过渡层；3、绝缘层；4、应变薄膜层；5、电极层；6、保护层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和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TiON薄膜压力传感器，如图1，包括基底1，基底1上沉积有过渡层2，过渡层2上沉积有绝缘层3，绝缘层3上沉积有应变薄膜层4，应变薄膜层4上沉积有电极层5和保护层6，其中应变薄膜层4为TiON薄膜。

本实施例中，基底1为呈C型结构的不锈钢材料，基底1弧顶厚度为2mm，其中不锈钢材料为17-4PH。

本实施例中，过渡层2为Ta₂O₅层，厚度为350nm。

本实施例中，绝缘层3为SiO₂层，厚度为900nm。

本实施例中，TiON薄膜的厚度为200nm。

本实施例中，电极层5为Ti-Pt-Au金属薄膜，其中Ti-Pt-Au金属薄膜的厚度为75nm。

本实施例中，保护层6为SiO₂层，其中SiO₂层的厚度为75nm。

一种上述本实施例的TiON薄膜压力传感器的制备方法，其制备工艺流程如图2所示，包括以下步骤：

（1）取不锈钢材料（17-4PH）通过机械加工制备呈C型的钢杯，即为本发明的基底1。

（2）对钢杯进行研磨、抛光处理，使钢杯表面达到一定的平整度和光洁度。

（3）对抛光后的钢杯进行离子束清洗，去除基底抛光面的油污及杂质玷污等。

（4）采用离子束溅射工艺在步骤（3）经清洗后的钢杯表面沉积过渡层2（Ta₂O₅层），用于增强绝缘层3与基底1的结合力。

（5）采用离子束溅射工艺在步骤（4）的过渡层2（Ta₂O₅层）上沉积绝缘层3（SiO₂层）。通常绝缘层厚度太薄会影响其绝缘效果，而膜层太厚则会使得绝缘层的附着力变差。

（6）采用光刻工艺在步骤（5）的绝缘层3上制作掩膜。

（7）采用PECVD法在步骤（6）中暴露的绝缘层3（SiO₂层）和掩膜上沉积应变薄膜层4（TiON薄膜）。其中，采用TiF₄气体和NH₃等气体沉积TiON薄膜；同时，为便于控制TiON薄膜中N、O成分比，需在制备过程中辅助通入N₂和O₂，调整TiON薄膜中各组分比例。具体工艺步骤如下：

（7.1）抽真空至3.0×10^-2Pa～5.0×10^-2Pa。

（7.2）预加热10分钟，基底温度控制在300℃～350℃，在加热过程中通入300sccm的N₂。

（7.3）保持射频功率70W～200W，工作真空60Pa～100Pa，在TiON薄膜制备过程中，TiF₄流量为50sccm，NH₃流量为120sccm，O₂流量为200sccm。

（7.4）抽真空1分钟。

（8）采用剥离工艺对步骤（7）中沉积有应变薄膜层4（TiON薄膜）进行刻蚀，制备出栅条形状的TiON薄膜，使沉积在绝缘层3上的应变薄膜层4（TiON薄膜）形成四个电阻桥组成惠斯通全桥电路，其中内电阻分布在基底1应变区域的中心位置，外电阻分布在基底1应变区域的边缘。

（9）采用光刻工艺在步骤（8）中暴露的绝缘层3（SiO₂层）和应变薄膜层4（TiON薄膜）上制作掩膜。

（10）采用离子束溅射工艺在步骤（9）中暴露的应变薄膜层4（TiON薄膜）上沉积电极层5（Ti-Pt-Au金属薄膜）。随后采用剥离工艺去除应变薄膜层4（TiON薄膜）上的掩膜。本发明中，通过在应变薄膜层4（TiON薄膜）上制备Ti-Pt-Au金属薄膜作为接触电极，便于产品后续信号引出测试。

（11）采用光刻工艺在步骤（10）的电极层5（Ti-Pt-Au金属薄膜）上制作掩膜。

（12）采用离子束溅射工艺在步骤（11）中暴露的应变薄膜层4（TiON薄膜）上沉积保护层6（SiO₂层）。随后去除绝缘层3（SiO₂层）和应变薄膜层4（TiON薄膜）上的掩膜。本发明应变薄膜层4（TiON薄膜）上，除沉积有电极层5的区域外，其他区域均沉积有保护层5，通过沉积保护层5，防止传感器被水汽或其他污染物污染，也可以阻挡空气中的氧对传感器的侵蚀，提高薄膜压力传感器的可靠性、稳定性和精准性。

（13）将步骤（12）中沉积有过渡层2、绝缘层3、应变薄膜层4、电极层5和保护层6的钢杯进行热处理。

（14）热处理完成后，将电极层5与引线组件相连，制备得到TiON薄膜压力传感器。

（15）对步骤（14）中制得的TiON薄膜压力传感器进行检验。

经检验，本发明采用不锈钢基底+TiON薄膜作为压力传感器的敏感元件，所得TiON薄膜压力传感器的灵敏度可达4mV/V～5mV/V。而传统合金薄膜压力传感器（以NiCr薄膜为应变材料）的灵敏度一般在1mV/V～2mV/V。因此，本发明的TiON薄膜压力传感器具有灵敏度高、测量精度高等优点，且大大的提高了传感器的精准性和可靠性。

另外，本发明中，采用PECVD法制备SiO₂+TiON薄膜层所需时间大约在30min～60min，而现有制备方法中制备的SiO₂+NiCr薄膜层所需时间至少在8h以上。由此可见，本发明制备方法可以大幅提高薄膜压力传感器的生产效率，大大地节约了时间成本。

以上实施例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

1.一种TiON薄膜压力传感器，其特征在于，所述TiON薄膜压力传感器包括基底（1），所述基底（1）上沉积有过渡层（2），所述过渡层（2）上沉积有绝缘层（3），所述绝缘层（3）上沉积有应变薄膜层（4），所述应变薄膜层（4）上沉积有电极层（5）和保护层（6）；所述应变薄膜层（4）为TiON薄膜。

2.根据权利要求1所述的TiON薄膜压力传感器，其特征在于，所述TiON薄膜的厚度为50nm～200nm。

3.根据权利要求1或2所述的TiON薄膜压力传感器，其特征在于，所述基底（1）为呈C型结构的不锈钢材料；所述不锈钢材料为17-4PH；所述基底（1）的弧顶厚度为0.5mm～3mm。

4.根据权利要求1或2所述的TiON薄膜压力传感器，其特征在于，所述过渡层（2）为Ta₂O₅层或TiO₂层；所述过渡层（2）的厚度为200nm～500nm。

5.根据权利要求1或2所述的TiON薄膜压力传感器，其特征在于，所述绝缘层（3）为SiO₂层；所述绝缘层（3）的厚度为600nm～900nm。

6.根据权利要求1或2所述的TiON薄膜压力传感器，其特征在于，所述电极层（5）为Ti-Pt-Au金属薄膜；所述Ti-Pt-Au金属薄膜的厚度为50nm～100nm。

7.根据权利要求1或2所述的TiON薄膜压力传感器，其特征在于，所述保护层（6）为SiO₂层；所述保护层（6）的厚度为50nm～100nm。

8.一种如权利要求1～7中任一项所述的TiON薄膜压力传感器的制备方法，其特征在于，所述TiON薄膜采用PECVD法制备得到。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在基底（1）上沉积过渡层（2）；

S2、在过渡层（2）上沉积绝缘层（3）；

S3、制备掩膜，在所述绝缘层（3）上沉积TiON薄膜；

S4、更换掩膜，在所述TiON薄膜上沉积电极层（5）；

S5、更换掩膜，在所述TiON薄膜上沉积保护层（6）；

S6、整体热处理；

S7、将电极层（5）与引线组件相连，制备完成。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，步骤S1中，采用离子束溅射工艺沉积过渡层（2）；

步骤S2中，采用磁控溅射工艺或离子束溅射工艺沉积绝缘层（3）；

步骤S3、步骤S4、步骤S5中均采用光刻工艺制作掩膜；

步骤S4中，采用离子束溅射工艺沉积电极层（5）；

步骤S5中，采用离子束溅射工艺沉积保护层（6）。