CN110440831A - 一种传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种传感器及其制备方法，所述传感器包括无机衬底，覆盖在所述无机衬底表面的La0.7Sr0.3MnO3薄膜和在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜上形成的金属电极。所述传感器能够同时检测温度、光、磁场等环境信号，且具有耐高温的特性。本发明采用脉冲激光沉积法在无机衬底的表面生长La0.7Sr0.3MnO3薄膜的制备工艺简单，与传统的镀膜工艺及半导体工艺兼容，能够实现光刻和离子刻蚀；从而能够更简单、更高效率的实现传感器的产业化生产。

Description

一种传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种传感器及其制备方法。
背景技术
传感器是一种能够将环境信号转化为电学信号的电子元器件，主要包括基体、导电层和金属电极；所述导电层覆盖在所述基体上，再将所述导电层连接金属电极，即可组成传感器。其中，基体也叫衬底，是传感器的基础；导电层主要是将各种环境信号转化为电学信号；金属电极则是将器件与外界进行连接。
现有技术中的传感器大多仅能检测单一信号，已远远不能满足现在人们对传感器多功能化的需求，例如对光、温度、磁场等环境信号的同时检测。功能型氧化物因其丰富的物理性质，如铁电性、铁磁性、超导性、磁阻效应等，而受到广泛的关注。其中，Mn钙钛矿氧化物具有突出的磁电输运特性、温感性和巨磁阻性质；在较低的磁场下也能产生磁电阻效应，在磁性隧道结、磁性探测器、磁存储等领域具有潜在的应用前景；同时，其禁带宽度比较小(约1eV)，对不同波长的光比较敏感，在外加光照射下能够产生光电效应。目前，尚没有将Mn钙钛矿氧化物应用于制备传感器的工艺方法，故无法获得能够同时检测温度、光、磁场等环境信号的多功能、耐高温传感器。
发明内容
基于此，为了克服现有技术的缺陷和不足，本发明提供了一种具有较强的耐高温性能，结构简单的传感器。
所述传感器包括无机衬底，覆盖在所述无机衬底表面的La0.7Sr0.3MnO3薄膜和在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜上形成的金属电极。
相对于现有技术，Mn基钙钛矿氧化物La0.7Sr0.3MnO3薄膜在20K-777.15K的温度范围内的电阻都在万欧姆级别；且对环境信号(如光、磁场和温度)的刺激反应敏感；也是一种氧化物半导体，具有良好的导电性，是优良的导电层材料。同时，由于钙钛矿氧化物La0.7Sr0.3MnO3需要在高温(约600℃)条件下沉积为高质量的La0.7Sr0.3MnO3薄膜，故本发明选择耐高温的无机材料作为衬底，再将所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜连接金属电极，从而获得可在高温(≧300℃)环境下工作的多功能传感器。
进一步地，所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜的厚度为80～200nm。当La0.7Sr0.3MnO3薄膜的厚度太厚时，导电层则对外界环境信号不灵敏；当La0.7Sr0.3MnO3薄膜的厚度太薄时，易会因为导电层的电阻太大，而无法测量。因此，所制备的La0.7Sr0.3MnO3薄膜厚度要求在80～200nm以内。
进一步地，所述金属电极的厚度为0.5～1μm。由于金属电极是应用在La0.7Sr0.3MnO3薄膜上，为了达到相应的灵敏度和连接密切度，所以不能太厚；若金属电极过厚，还会增加制作成本。
进一步地，所述无机衬底的厚度为1～4mm。本发明所述传感器的重量主要来自于无机衬底，为了保证传感器能的轻便性和灵巧性，故无机衬底的厚度不宜过厚。
进一步地，所述金属电极的数量为2个或4个。当所述金属电极为2个时，2个所述金属电极为长条形，且覆盖在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜相互平行的两条边上；当所述金属电极为4个时，4个所述金属电极分别设置在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜的4个角位上。
本发明还提供了一种制备工艺简单，与传统的镀膜工艺及半导体工艺兼容的多功能、耐高温传感器制备方法。
本发明所述传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1：在无机衬底的表面制备La0.7Sr0.3MnO3薄膜；
S2：在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜上形成金属电极，制得传感器。
相对于现有技术，Mn基钙钛矿氧化物La0.7Sr0.3MnO3薄膜在20K-777.15K的温度范围内的电阻都在万欧姆级别；且对环境信号(如光、磁场和温度)的刺激反应敏感；也是一种氧化物半导体，具有良好的导电性，是优良的导电层材料。同时，由于钙钛矿氧化物La0.7Sr0.3MnO3需要在高温(约600℃)条件下沉积为高质量的La0.7Sr0.3MnO3薄膜，故本发明选择耐高温的无机材料作为衬底，再将所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜连接金属电极，从而获得可在高温(≧300℃)环境下工作的多功能传感器。
进一步地，所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜通过脉冲激光沉积法制得，其具体操作步骤为：将激光打在La0.7Sr0.3MnO3靶材表面，La0.7Sr0.3MnO3靶材表面瞬时熔融为La0.7Sr0.3MnO3等离子体，并沉积在无机衬底表面，形成La0.7Sr0.3MnO3薄膜。
进一步地，所述脉冲激光沉积法的具体操作条件为：沉积温度为600～700℃，腔体氧分压为1～15Pa，激光能流频率为1～2Hz，激光能流密度1.0～2.5J cm-2。
采用脉冲激光沉积法(PLD)制备La0.7Sr0.3MnO3薄膜导电层，沉积温度、腔体氧分压、激光能流频率、激光能流密度对所制备的薄膜的性能具有十分重要影响。沉积温度越高，则薄膜在衬底表面重新形核结晶将会更加容易，薄膜的结晶性越好则器件的性能越好。适宜的氧分压则能够降低半导体层的电子数目，从而降低器件的功耗。激光能流密度较低，会使得靶材熔融不彻底，在样品表面形成颗粒物；激光能流密度太高的能量则会使样品表面很粗糙。本发明通过上述脉冲激光沉积法，并合理控制工艺条件，制备获得表面平整、晶体结构取向一致，且电学性能良好、对环境信号(如光、磁场和温度)反应敏感的导电层。
进一步地，在所述步骤S1中，所述无机衬底的材料为硅片、蓝宝石、钛酸锶、氧化镁、钛酸锶、铝酸镧、氧化镓或云母。
无机衬底具有良好的化学稳定性，在外延生长导电层的温度和气氛中不易分解和腐蚀，能够运用在高温生长过程中；且具有机械强度高，易于处理和清洗的优点；同时制造无机衬底的技术相对成熟，制造成本适中。
进一步地，在所述步骤S2中，以金属Pt作为靶材，通过脉冲激光沉积法形成所述金属电极的具体操作条件为：沉积温度为25～100℃，腔体氧分压为5.0×10-5～1.0×10-3Pa，激光能流频率为6～10Hz，激光能流密度为1.0～2.5J cm-2。
采用脉冲激光沉积法制备金属Pt电极，通过对沉积温度、腔体氧分压、激光能流频率、激光能流密度的合理控制，可以在较低温度下，获得表面平整、晶体结构取向一致，且电学性能良好的金属电极。
附图说明
图1为本发明传感器的结构示意图。
图2为图1中A-A截面的剖视图。
图3为本发明传感器的La0.7Sr0.3MnO3薄膜在不同磁场条件下电阻随温度变化的示意图。
图4为本发明传感器的La0.7Sr0.3MnO3薄膜在不同磁场方向下电阻随磁场变化的示意图。
图5为本发明传感器的La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光响应示意图。
具体实施方式
本发明的发明人多年专注于传感器的研究，特别是致力于研究出能够对光、温度、磁场等多种信号，均具有感应反应的传感器，以弥补现有技术的传感器仅能检测单一信号的应用缺陷。
发明人尝试了多种导电层材料，最终发现钙钛矿复合氧化物具有独特的晶体结构，尤其经掺杂后形成的晶体缺陷结构和性能，常被应用在固体燃料电池、固体电解质、高温加热材料、固体电阻器及替代贵金属的氧化还原催化剂等诸多领域。而本发明的发明人通过脉冲激光沉积法，将激光打在La0.7Sr0.3MnO3靶材表面，制备获得表面平整、晶体结构取向一致，且电学性能良好、对环境信号(如光、磁场等)反应敏感的La0.7Sr0.3MnO3薄膜导电层。同时选择耐高温的无机材料作为衬底，再将所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜连接金属电极，从而获得可在高温(≧300℃)环境下工作的多功能传感器。
本发明先制备传感器，再检测所述传感器的耐高温特性，电阻随温度的变化率、及对磁场和光电的响应等。
请同时参阅图1和图2，图1为发明传感器的结构示意图，图2为图1中A-A截面的剖视图。本发明所述传感器，包括无机衬底1，覆盖在所述无机衬底1上的La0.7Sr0.3MnO3薄膜2和在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜2上形成的金属电极3。
作为优选，所述无机衬底为商业购买的矩形片状材料；所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜覆盖在所述无机衬底的表面；且所述金属电极为2个或4个。当所述金属电极为2个时，2个所述金属电极为长条形，且覆盖在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜相互平行的两条边上；当所述金属电极为4个时，4个所述金属电极分别设置在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜的4个角位上。
本发明所述传感器的制备方法，主要包括以下步骤：
S1：在无机衬底的表面制备La0.7Sr0.3MnO3薄膜。
作为优选，所述无机衬底的材料为硅片、蓝宝石、钛酸锶、氧化镁、钛酸锶、铝酸镧、氧化镓或云母。所述无机衬底的厚度为1～4mm。
作为优选，所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜的厚度为80～200nm。La0.7Sr0.3MnO3是一种备受关注的功能型氧化物材料，具有显著的磁电输运特性。它是一种半金属材料，Sr的掺杂是控制费米能级上的载流子浓度，使它具有良好的电学性能，同时对环境信号(如光)的刺激有所反应。也是一种居里温度(～369K)很高的铁磁材料，对磁场十分敏感，是制备磁性功能型器件的绝佳材料。
进一步，作为优选，所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜通过脉冲激光沉积法制得，其具体操作步骤为：将激光打在La0.7Sr0.3MnO3靶材表面，La0.7Sr0.3MnO3靶材表面瞬时熔融为La0.7Sr0.3MnO3等离子体，并沉积在无机衬底表面，形成La0.7Sr0.3MnO3薄膜。所述脉冲激光沉积法的具体操作条件为：沉积温度为600～700℃，腔体氧分压为1～15Pa，激光能流频率为1～2Hz，激光能流密度1.0～2.5J cm-2。
S2：在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜上形成金属电极，制得传感器。
作为优选，所述金属电极的厚度为0.5～1μm。
进一步，作为优选，所述金属电极是采用金属Pt或Au作为靶材。金属电极是器件和外界仪器或者电路相连接的桥梁。采用贵金属Pt或Au作为电极，这两种金属不仅导电性良好，而且在高温下也不会发生氧化而生成为相应的氧化物，而致使电极不导电。同时它们的功函数也相对来说比较低，能够降低功耗。
作为优选，当以金属Pt作为靶材时，通过脉冲激光沉积法形成所述金属电极的具体操作条件为：沉积温度为25～100℃，腔体氧分压为5.0×10-5～1.0×10-3Pa，激光能流频率为6～10Hz，激光能流密度为1.0～2.5J cm-2。
以下通过具体实施例详细说明本发明的技术方案。
实施例1
本发明所述传感器的制备方法为：在无机衬底的表面制备La0.7Sr0.3MnO3薄膜，然后在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜上形成金属电极，得到传感器。具体包括以下步骤：
S1：在无机衬底的表面制备La0.7Sr0.3MnO3薄膜。
以1.5mm厚的硅片为衬底材料；通过脉冲激光沉积法，将激光打在La0.7Sr0.3MnO3靶材表面，La0.7Sr0.3MnO3靶材表面瞬时熔融为La0.7Sr0.3MnO3等离子体，且沉积到硅片衬底表面，形成La0.7Sr0.3MnO3薄膜。采用脉冲激光沉积法生长La0.7Sr0.3MnO3薄膜的生长条件为：沉积温度600℃，腔体氧分压为2Pa，激光能流频率为1Hz，激光能流密度1.0J cm-2。获得所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜的厚度为150nm。
S2：在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜上形成金属电极，制得传感器。
以金属Pt作为靶材，采用脉冲激光沉积法生长金属电极的生长条件为：沉积温度为25℃，腔体氧分压为5.0×10-5Pa，激光能流频率为6Hz，激光能流密度为1.0J cm-2。获得所述金属电极的厚度为0.5μm。
实施例2
本实施例2与实施例1的传感器制备步骤相同，其区别在于制备过程中各条件参数的不同。
S1：在无机衬底的表面制备La0.7Sr0.3MnO3薄膜。
以3mm厚的氧化镁材料为衬底；通过脉冲激光沉积法，将激光打在La0.7Sr0.3MnO3靶材表面，La0.7Sr0.3MnO3靶材表面瞬时熔融为La0.7Sr0.3MnO3等离子体，且沉积到氧化镁衬底表面，形成La0.7Sr0.3MnO3薄膜。采用脉冲激光沉积法生长La0.7Sr0.3MnO3薄膜的生长条件为：沉积温度650℃，腔体氧分压为9Pa，激光能流频率为1.5Hz，激光能流密度1.8J cm-2。获得所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜的厚度为200nm。
S2：在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜上形成金属电极，制得传感器。
以金属作为靶材，采用脉冲激光沉积法生长金属电极的生长条件为：沉积温度为60℃，腔体氧分压为5.0×10-4Pa，激光能流频率为8Hz，激光能流密度为1.8J cm-2。获得所述金属电极的厚度为0.8μm。
实施例3
本实施例3与实施例1、实施例2的传感器制备步骤相同，其区别在于制备过程中各条件参数的不同。
S1：在无机衬底的表面制备La0.7Sr0.3MnO3薄膜。
以4mm厚的钛酸锶材料为衬底；通过脉冲激光沉积法，将激光打在La0.7Sr0.3MnO3靶材表面，La0.7Sr0.3MnO3靶材表面瞬时熔融为La0.7Sr0.3MnO3等离子体，且沉积到钛酸锶衬底表面，形成La0.7Sr0.3MnO3薄膜。采用脉冲激光沉积法生长La0.7Sr0.3MnO3薄膜的生长条件为：沉积温度700℃，腔体氧分压为15Pa，激光能流频率为2Hz，激光能流密度2.5J cm-2。获得所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜的厚度为90nm。
S2：在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜上形成金属电极，制得传感器。
以金属作为靶材，采用脉冲激光沉积法生长金属电极的生长条件为：沉积温度为100℃，腔体氧分压为1.0×10-3Pa，激光能流频率为10Hz，激光能流密度为2.5J cm-2。获得所述金属电极的厚度为1μm。
性能对比
表1实施例1-3所制备得到的传感器1-3的性能对比情况
由实施例1-3制备得到的传感器1-3对应的性能如表1所示。由表1可知，随着采用脉冲激光沉积法制备La0.7Sr0.3MnO3薄膜的沉积温度、腔体氧分压、激光能流频率和激光能流密度的增加；所制备得到的La0.7Sr0.3MnO3薄膜结晶性越好，而导电性则降低，表面平整性和厚度是在制备条件参数范围的中间值时较优。而对于整体传感器而言，随着采用脉冲激光沉积法制备La0.7Sr0.3MnO3薄膜和金属电极的沉积温度、腔体氧分压、激光能流频率和激光能流密度的增加；传感器的磁性越差，而化学稳定性和力学性能越好，对透明度的影响不大。
请参阅图3，图3为本发明传感器的La0.7Sr0.3MnO3薄膜在不同磁场条件下电阻随温度变化的示意图。从图3中可以看到，该图是在0T和1T两个磁场下，测试La0.7Sr0.3MnO3薄膜的电阻随环境温度的变化而变化的情景。在20K到400K的温度范围内，La0.7Sr0.3MnO3薄膜对磁场都有响应，而且，在施加外加磁场后La0.7Sr0.3MnO3薄膜的电阻是变小的。同时，从图3中的小图可以看出，随着环境温度的降低，La0.7Sr0.3MnO3薄膜的磁阻变化率是逐渐增大的，说明环境温度越低，La0.7Sr0.3MnO3薄膜对磁场的响应越明显。
请参阅图4，图4为本发明传感器的La0.7Sr0.3MnO3薄膜在不同磁场方向下电阻随磁场变化的示意图。从图4中可以看到，不论是施加正向磁场，还是反向磁场，La0.7Sr0.3MnO3薄膜的电阻都是变小的，说明La0.7Sr0.3MnO3薄膜对磁场的响应与磁场方向无关。
请参阅图5，图5为本发明传感器的La0.7Sr0.3MnO3薄膜的光响应示意图。从图5中可以看到，在施加360nm的紫外光之后，La0.7Sr0.3MnO3薄膜的电阻值急剧下降，降至原电阻值的约1/3左右；在去除360nm的紫外光之后，La0.7Sr0.3MnO3薄膜又恢复至原电阻值。但是，由于电阻变化过于大，使得所需要的响应时间比较长。
综上所述，本发明所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜作为导电层，具有如下特性：
(1)随着环境温度越高，La0.7Sr0.3MnO3薄膜的电阻越低，La0.7Sr0.3MnO3薄膜呈现半导体特性；
(2)在20K到400K的温度范围内，La0.7Sr0.3MnO3薄膜对磁场都有一个良好的响应，随着环境温度的降低，La0.7Sr0.3MnO3薄膜对磁场的响应越明显；
(3)La0.7Sr0.3MnO3薄膜对磁场的响应与磁场方向无关；
(4)La0.7Sr0.3MnO3薄膜对光的相应明显，可制作为光敏感应器件。
相对于现有技术，本发明所述传感器具有如下优点：
(1)在20K到400K的温度范围内，La0.7Sr0.3MnO3薄膜对磁场都有一个良好的响应，随着环境温度的降低，La0.7Sr0.3MnO3薄膜对磁场的响应越明显。同时，对磁场和光均具有良好的响应，可以用于制作相应的磁传感器件和光敏感应器件。本发明所述传感器是能够同时检测温度、光、磁场等环境信号，且可以在高温(≧300℃)环境下工作的多功能传感器。
(2)本发明采用脉冲激光沉积法制备传感器的导电层，获得表面平整、晶体结构取向一致，且电学性能良好、对环境信号(如光、磁场和温度)反应敏感的La0.7Sr0.3MnO3薄膜。
(3)本发明所述传感器导电层的制备工艺简单，与传统制备镀膜和半导体的工艺兼容，能够实现光刻和离子刻蚀，从而能够更简单、高效的实现传感器件的微型化和集成化，易于产业化生产。
(4)由于人类是无法感知磁场的，只能通过磁传感器对磁场进行检测。本发明所述传感器对磁场的优异感应性能，一方面，可以在工业起重机、医疗保健、发电机、记忆、导航等领域具有广泛的应用；另一方面，由于在蚂蚁、蜜蜂、鸽子、鲸鱼等细菌和动物体内存在的磁感受器，可以让生物体探测到地球磁场，进行定位和导航。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种传感器，其特征在于：包括无机衬底，覆盖在所述无机衬底表面的La0.7Sr0.3MnO3薄膜和在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜上形成的金属电极。
2.根据权利要求1所述传感器，其特征在于：所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜的厚度为80～200nm。
3.根据权利要求2所述传感器，其特征在于：所述金属电极的厚度为0.5～1μm。
4.根据权利要求3所述传感器，其特征在于：所述无机衬底的厚度为1～4mm。
5.根据权利要求4所述传感器，其特征在于：所述金属电极的数量为2个或4个。
6.一种制备如权利要求1～5任意一项所述传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：在无机衬底的表面制备La0.7Sr0.3MnO3薄膜；
S2：在所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜上形成金属电极，制得传感器。
7.根据权利要求6所述传感器的制备方法，其特征在于：所述La0.7Sr0.3MnO3薄膜通过脉冲激光沉积法制得，其具体操作步骤为：将激光打在La0.7Sr0.3MnO3靶材表面，La0.7Sr0.3MnO3靶材表面瞬时熔融为La0.7Sr0.3MnO3等离子体，并沉积在所述无机衬底表面，形成La0.7Sr0.3MnO3薄膜。
8.根据权利要求7所述传感器的制备方法，其特征在于：所述脉冲激光沉积法的具体操作条件为：沉积温度为600～700℃，腔体氧分压为1～15Pa，激光能流频率为1～2Hz，激光能流密度1.0～2.5J cm-2。
9.根据权利要求8所述传感器的制备方法，其特征在于：在所述步骤S1中，所述无机衬底的材料为硅片、蓝宝石、钛酸锶、氧化镁、钛酸锶、铝酸镧、氧化镓或云母。
10.根据权利要求9所述传感器的制备方法，其特征在于：在所述步骤S2中，以金属Pt作为靶材，通过脉冲激光沉积法形成所述金属电极的具体操作条件为：沉积温度为25～100℃，腔体氧分压为5.0×10-5～1.0×10-3Pa，激光能流频率为6～10Hz，激光能流密度为1.0～2.5J cm-2。
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