CN113555495B - 一种薄膜压力传感器及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种薄膜压力传感器及其制备方法与应用。本发明公开了一种薄膜压力传感器，包括：由下至上设置的金属基体、第一绝缘层、压阻敏感层、第二绝缘层和耐磨防护层；第一绝缘层和第二绝缘层之间还设置有电极层，电极层与压阻敏感层连接；本发明将电极层和压阻敏感层封装在第一绝缘层和第二绝缘层之间，可以起到绝缘和信号传输稳定的效果，耐磨防护层可以保障传感器不受外界加工环境的影响，使得传感器在恶劣的工作环境下亦可正常使用。压阻敏感层为Cu84Mn12Ni4。该薄膜压力传感器中Cu84Mn12Ni4压阻效应好，响应快，线性好，使得薄膜传感器压阻系数大，线性度高，稳定性好。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种薄膜压力传感器及其制备方法与应用。
背景技术
传感器是一种非常重要的检测装置，它可以将各种环境中的非电物理量(物理、生物等)按照某一特定规律转换为电信号以及其他输出信号。如今，随着智能家居，便携式设备以及物联网的高速发展，传感器技术将会受到越来越多的关注。传感器是信息检测系统的源头，在分析、检测甚至控制方面是一种必不可少的装置，并且在某一程度上也是一种决定系统性能优劣的重要元件。随着科技的发展必然对传感器有更为严苛的要求。要求传感器的长期稳定性好、高温环境下能稳定工作、准确度高、微小型化以及集成度进一步提升等等。
许多金属、合金及半导体都具有压阻效应，其中在硅片上采用扩散工艺制作的半导体应变片是目前应用最为广泛的压力传感器。其特点是灵敏度高、精度高，易小型化及批量生产，横向效应和蠕变都较小。但半导体应变片的量程也较小，且热稳定性差，非线性较严重，因而仅适用于小压力的测量，不能应用于伴随有高温的场合的灵敏度同样很高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种薄膜压力传感器及其制备方法与应用，该薄膜压力传感器量程大、线性度良好，且热稳定性好。
其具体技术方案如下：
本发明提供了一种薄膜压力传感器，包括：由下至上设置的金属基体、第一绝缘层、压阻敏感层、第二绝缘层和耐磨防护层；
所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间还设置有电极层，所述电极层与压阻敏感层连接；
所述压阻敏感层为Cu84Mn12Ni4。
优选地，所述第一绝缘层和第二绝缘层为AlN；
所述金属基体为不锈钢、模具钢或硬质合金；
所述电极层为Cu。
优选地，所述耐磨防护层为TiAlN。
优选地，在背离所述金属基体的所述第一绝缘层的表面和第二绝缘层的表面设置有填充层；
所述填充层为Al2O3。
优选地，所述压阻敏感层的厚度为0.5～2微米；
所述电极层的厚度为0.5～2.5微米。
本发明还提供了上述薄膜压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用磁控溅射沉积第一绝缘层；
步骤2：利用敏感元掩膜版和磁控溅射在所述第一绝缘层上沉积压阻敏感层；所述压阻敏感层为Cu84Mn12Ni4；
步骤3：利用电极掩膜版和磁控溅射在所述第一绝缘层上沉积电极层，且所述电极层与所述压阻敏感层连接；
步骤4：采用磁控溅射沉积第二绝缘层，使所述电极层和所述压阻敏感层封闭在所述第二绝缘层之间；
步骤5：采用电弧离子镀在所述第二绝缘层上制备防护层。
优选地，所述耐磨防护层为TiAlN；
所述第一绝缘层和第二绝缘层为AlN；
所述金属基体为不锈钢、模具钢或硬质合金；
所述电极层为Cu。
优选地，在所述第一绝缘层上沉积电极层之前，还包括：在所述第一绝缘层表面采用原子层沉积填充层；
所述填充层为Al2O3。
优选地，在所述第二绝缘层表面上制备防护层之前，还包括：在所述第二绝缘层表面沉积填充层；
所述填充层为Al2O3。
本发明还提供了上述薄膜压力传感器在检测压力中的应用。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种薄膜压力传感器，包括：由下至上设置的金属基体、第一绝缘层、压阻敏感层、第二绝缘层和耐磨防护层；第一绝缘层和第二绝缘层之间还设置有电极层，电极层与压阻敏感层连接；本发明将电极层和压阻敏感层封装在第一绝缘层和第二绝缘层之间，可以起到绝缘和信号传输稳定的效果，耐磨防护层可以保障传感器不受外界加工环境的影响，使得传感器在恶劣的工作环境下亦可正常使用。压阻敏感层为Cu84Mn12Ni4。该薄膜压力传感器中Cu84Mn12Ni4压阻效应好，响应快，线性好，使得薄膜传感器压阻系数大，线性度高，稳定性好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的薄膜压力传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的填充层的结构示意图和扫描电镜图；
图3为本发明实施例提供的敏感元掩膜版和磁控溅射沉积压阻敏感层Cu84Mn12Ni4所用的夹具的实物图；
图4为本发明实施例提供的电极掩膜版和磁控溅射沉积Cu电极所用的夹具的实物图；
图5为本发明实施例提供的薄膜传感器测试单元的形状图；
图6为本发明实施例1～5在-50V～-250V不同偏压下压阻敏感层的阻值随压力的变化曲线图；
图7为本发明实施例1～5在-50V～-250V不同偏压腔压下及多次重复测试后压阻系数的变化的曲线图；
其中，图示说明如下：
1、金属基体；2、第一绝缘层；3、压阻敏感层；4、电极层；5、第二绝缘层；6、耐磨防护层。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明实施例提供的薄膜压力传感器的结构示意图。
请参阅图2，本发明实施例提供的填充层的结构示意图和扫描电镜图。
请参阅图3，本发明实施例提供的敏感元掩膜版和磁控溅射沉积压阻敏感层3Cu84Mn12Ni4所用的夹具的实物图。
请参阅图4，本发明实施例提供的电极掩膜版和磁控溅射沉积Cu电极所用的夹具的实物图。
请参阅图5，本发明实施例提供的压阻测试单元的形状图。
本发明提供了一种薄膜压力传感器，包括：由下至上设置的金属基体1、第一绝缘层2、压阻敏感层3、第二绝缘层5和耐磨防护层6；
第一绝缘层2和第二绝缘层5之间还设置有电极层4，电极层4与压阻敏感层3连接；
压阻敏感层3为Cu84Mn12Ni4。
本发明中，Cu84Mn12Ni4压阻效应好，电阻温度系数小，响应快，线性好且TCR小，热稳定性好。本发明将电极层4和压阻敏感层3封装在第一绝缘层2和第二绝缘层5之间，可以起到绝缘和信号传输稳定的效果，耐磨防护层6可以保障传感器不受外界加工环境的影响，使得传感器在恶劣的工作环境下亦可正常使用。本发明提供的薄膜传感器压阻系数大，线性度高，稳定性好且耐磨防护功能好。
本发明中，第一绝缘层2和第二绝缘层5为AlN；
金属基体1为不锈钢、模具钢或硬质合金；
电极层4为Cu；
耐磨防护层6为TiAlN。
本发明中，在背离金属基体1的第一绝缘层2的表面和第二绝缘层5的表面设置有填充层；
填充层为Al2O3。
本发明中，金属基体1的厚度为0.3mm～5mm；
压阻敏感层3的厚度为0.5～2μm；
电极层4的厚度为0.5～2.5μm；
第一绝缘层2的厚度为0.4～0.7μm；
填充层的厚度为300nm～1μm；
耐磨防护层6厚度为1μm～2μm。
本发明还提供了上述薄膜压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：采用磁控溅射沉积第一绝缘层；
步骤2：利用敏感元掩膜版和磁控溅射在第一绝缘层上沉积压阻敏感层；压阻敏感层为Cu84Mn12Ni4；
步骤3：利用电极掩膜版和磁控溅射在第一绝缘层上沉积电极层，且电极层与压阻敏感层连接；
步骤4：采用磁控溅射沉积第二绝缘层，使电极层和压阻敏感层封闭在第二绝缘层之间；
步骤5：采用电弧离子镀在第二绝缘层上制备防护层。
本发明中，耐磨防护层为TiAlN；
第一绝缘层和第二绝缘层为AlN；
金属基体为不锈钢、模具钢或硬质合金；
电极层为Cu。
本发明中，电极层为Cu主要是其物理与化学性质稳定，电阻率较低约1.75×10-8Ω·m，降低电极层电阻对压阻测试的影响，且Cu的延展性与塑性较好，可以在一些复杂工件中制作弯曲或者阶梯型线路。使用TiAlN为耐磨防护层，是由于其摩擦系数较低，约0.5左右，且硬度较高约25Gpa，适用于做高压传感器的耐磨防护层，防止传感层在工件工作时被破坏或者腐蚀失效。
本发明中，在第一绝缘层上沉积电极层之前，还包括：在第一绝缘层表面采用原子层沉积填充层；
填充层为Al2O3；
在第二绝缘层表面上制备防护层之前，还包括：在第二绝缘层表面沉积填充层；
填充层为Al2O3。
如图2所示，本发明中，由于沉积的氮化铝层薄膜结构中存在微孔缺陷结构，所以使用原子层沉积ALD沉积一层Al2O3填充层用来进行封孔，防止Cu84Mn12Ni4与金属基底导通。
本发明步骤1之前还包括：采用超声波清洗、等离子体辉光清洗、离子源刻蚀对金属基体预处理：首先使用金属清洗剂对金属基体进行超声清洗，以去除金属基体表面的油污以及其他杂质。然后将超声清洗过的金属基体使用夹具固定在PVD沉积设备的炉腔转架上。然后关闭炉门，将腔室真空抽至5mP以下，开启腔室加热器，待腔室温度到达400～500℃且腔压在5mPa以下后，通入Ar，流量约为50～300sccm，维持腔压在0.2～1.0Pa左右，打开偏压电源，偏压值为-50V-600V，对金属基体进行辉光清洗2～20min，然后降低偏压值为-100V-200V，打开Booster离子源电源，设置离子源功率为500W～1200W，对金属基体进行刻蚀10～20min。
本发明步骤1具体为：维持腔室温度在400℃左右，通入Ar、N2，调节流量，使得Ar与N2混合气体的总流量为300～400sccm，N2分压比为40％，腔室环境压力固定为0.4Pa。打开偏压电源，设置偏压值在-50～-150V。然后转动转架，使样品正对且平行Al靶。开启磁控电源，将Al金属靶材功率密度调节至5～9W/cm2，沉积20min，沉积结束待炉腔冷却至150℃以下，得到第一绝缘层AlN。
所述填充层的制备具体为：AlN绝缘层完成之后，将样品移到原子层沉积设备腔室内，加热至400℃。分别以三甲基铝(TMA)和水蒸气作为前驱体，纯度为99.999％的N2作为吹扫气体制备Al2O3涂层用来填充AlN绝缘层的孔洞。
本发明步骤2具体为：使用三维设计软件设计出压阻敏感层的结构图纸，使用线切割加工技术在0.3mm不锈钢板上加工出相应的形状从而制备出敏感元掩膜版。利用夹具将掩膜版固定且紧贴在已经镀有绝缘层的金属基体上，再整体固定在PVD沉积设备的炉腔转架上。首先将腔体温度加热且保持在350～400℃，本地真空抽至2～5mPa以下，通入Ar，流量值为100～300sccm，打开偏压电源，偏压值为-600-1000V，对覆有掩膜版的基体进行辉光清洗10min，然后降低偏压值为-200V，打开Booster离子源电源，设置离子源功率为800～1200W，对覆有掩膜版的基体进行刻蚀2～5min。然后将Ar流量值调为240sccm左右，维持腔压在0.5Pa，调节偏压值为-50V～-250V，温度保持在400℃。打开磁控溅射电源，将CuMnNi合金靶材的功率密度调节至5～12W/cm2，沉积25～100min，得到压阻敏感层Cu84Mn12Ni4。
本发明步骤3具体为：使用三维设计软件设计出敏感元的结构图纸，使用线切割加工技术在0.3mm不锈钢板上加工出相应的形状从而制备出电极栅掩膜版。利用夹具将掩膜版固定且紧贴在已经镀有敏感元的样品上，使得电极掩膜版与已沉积的敏感元形状进行对准，保证电极与敏感元良好接触，再整体固定在PVD沉积设备的炉腔转架上。首先将腔体温度加热且保持在350～400℃，本地真空抽至2～5mPa以下，通入Ar，流量值为100～300sccm，打开偏压电源，偏压值为-600～-1000V，对覆有掩膜版的基体进行辉光清洗10min，然后降低偏压值为-200V，打开Booster离子源电源，设置离子源功率为800～1200W，对覆有掩膜版的基体进行刻蚀2min。然后将Ar流量值调为240sccm左右，维持腔压在0.5Pa，调节偏压值为-50～-250V，温度保持在400℃。打开磁控溅射电源，将Cu金属靶材的功率密度调节至5～12W/cm2，沉积20～100min，获得电极层Cu。
本发明步骤4使用磁控溅射沉积第二绝缘层AlN的方法与步骤1相同，不同之处仅在于，步骤4中需使用不锈钢板遮盖住Cu电极结构的外接线模块，防止外接线部位被镀绝缘层而导致无法外接线测试信号。
本发明步骤5具体为：首先将腔体温度加热且保持在400℃，本地真空抽至2～5mPa以下，通入Ar，流量值为100～300sccm，打开偏压电源，偏压值为-600～-1000V，对基体进行辉光清洗10min，然后降低偏压值为-200V，打开Booster离子源电源，设置离子源功率为1200W，对覆有掩膜版的基体进行刻蚀2min。然后温度保持在400℃，通入Ar与N2混合气体的总流量为300～400sccm，N2分压比为40％，腔室环境压力保持为0.2～0.4Pa。开启偏压电源，偏压值为-50～-250V。转动样品台，转速调节至2r/min。将Ti金属靶材和Al金属靶材功率密度分别调节至5～10W/cm2，沉积120min，获得耐磨防护层TiAlN。该沉积工艺期间同样需要使用不锈钢板遮盖住Cu电极结构的外接线模块，防止外接线部位被镀绝缘层而导致无法外接线测试信号。
本发明提供的薄膜传感器压阻系数大，线性度高，稳定性好且耐磨防护功能好，可以嵌入工件表面实时测量如垫片、轴承、模具等紧密配合工件表面的压力变化。因此，本发明还提供了上述薄膜传感器在检测压力中的应用。
实施例1
本实施例为薄膜压力传感器的制备，具体制备步骤如下：
1、基体预处理
(1)溶剂清洗处理：先使用去离子水溶解硬质合金基体超声清洗15min，再使用95％酒精超声清洗15min。
(2)辉光和离子源轰击清洗处理：采用辉光对基体表面进行清洗20min，Ar流量为300sccm，腔压为0.6Pa，偏压为-600V；然后采用Booster离子源对基体进行清洗10min，Ar流量为420sccm，腔压为0.8Pa，基体偏压为-200V，离子源功率为1200W。
2、先在硬质合金基体表面磁控溅射沉积金属AlN绝缘层，ALD沉积Al2O3填补层
(1)Al金属靶材预处理：将腔体环境温度加热至175℃，使用机械泵与分子泵二级装置将沉积腔室本底抽真空，当腔室压力≤5.0×10-5Pa后，通入Ar，流量设定为55sccm，调节腔体内工作压力至1.2Pa，将Al金属靶材功率调节至2500W，靶功率密度为7W/cm2，预处理8min。该预溅射过程用以除去靶材表面氧化物等杂质污染，活化靶材表面原子，提高纯度的同时也提高靶材的溅射速率。
(2)沉积AlN绝缘层：将预处理过的金属基体放入腔室，本地真空抽至5mPa以下，维持腔室温度在400℃左右，通入Ar、N2，调节流量，使得Ar与N2混合气体的总流量为400sccm，N2分压比为40％，腔室环境压力固定为0.4Pa。打开偏压电源，设置偏压值在-150V。然后转动转架，使样品正对且平行Al靶。开启磁控电源，将Al金属靶材功率密度调节至7W/cm2，沉积20min，AlN层厚度约为0.7μm。沉积结束待炉腔冷却至150℃以下，取出样品。
(2)ALD沉积Al2O3填补层。AlN绝缘层完成之后，将样品移到原子层沉积设备腔室内，加热至400℃。分别以三甲基铝(TMA)和水蒸气作为前驱体，纯度为99.999％的N2作为吹扫气体制备厚度为300nm的Al2O3涂层用来填充AlN绝缘层的孔洞。
3、利用敏感元掩膜版和磁控溅射沉积制备一定形状的压阻敏感层CuMnNi
(1)CuMnNi靶预处理：将腔体环境温度加热至175℃，使用机械泵与分子泵二级装置将沉积腔室本底抽真空，当腔室压力≤5.0×10-5Pa后，通入Ar，流量设定为55sccm，调节腔体内工作压力至1.2Pa，将CuMnNi金属靶材功率调节至2500W，靶功率密度为7W/cm2，预处理8min。该预溅射过程用以除去靶材表面氧化物等杂质污染，活化靶材表面原子，提高纯度的同时也提高靶材的溅射速率。
(2)沉积CuMnNi薄膜：如图3所示，预溅射完成之后，利用夹具将掩膜版固定且紧贴在已经镀有绝缘层的金属基体上，再整体固定在PVD沉积设备的炉腔转架上。首先将腔体温度加热且保持在400℃，本地真空抽至5mPa以下，通入Ar，流量值为300sccm，打开偏压电源，偏压值为-600V，对覆有掩膜版的基体进行辉光清洗10min，然后降低偏压值为-200V，打开Booster离子源电源，设置离子源功率为1200W，对覆有掩膜版的基体进行刻蚀2min。然后将Ar流量值调为240sccm左右，维持腔压在0.5Pa，调节偏压值为-50V，温度保持在400℃。打开磁控溅射电源，将CuMnNi合金靶材的功率密度调节至8W/cm2，沉积100min，膜厚约为2μm。
4、利用电极掩膜版和磁控溅射沉积制备一定形状的Cu电极
(1)Cu靶预处理：将腔体环境温度加热至175℃，使用机械泵与分子泵二级装置将沉积腔室本底抽真空，当腔室压力≤5.0×10-5Pa后，通入Ar，流量设定为55sccm，调节腔体内工作压力至1.2Pa，将Cu金属靶材功率调节至2500W，靶功率密度为7W/cm2，预处理8min。该预溅射过程用以除去靶材表面氧化物等杂质污染，活化靶材表面原子，提高纯度的同时也提高靶材的溅射速率。
(2)沉积Cu电极薄膜：如图4所示，预溅射完成之后，利用夹具将掩膜版固定且紧贴在已经镀有敏感元CuMnNi薄膜的样品上，使得电极掩膜版与已沉积的敏感元形状进行对准，保证电极与敏感元良好接触，再整体固定在PVD沉积设备的炉腔转架上。首先将腔体温度加热且保持在400℃，本地真空抽至5mPa以下，通入Ar，流量值为300sccm，打开偏压电源，偏压值为-600V，对覆有掩膜版的基体进行辉光清洗10min，然后降低偏压值为-200V，打开Booster离子源电源，设置离子源功率为1200W，对覆有掩膜版的基体进行刻蚀2min。然后将Ar流量值调为240sccm左右，维持腔压在0.5Pa，调节偏压值为-100V，温度保持在400℃。打开磁控溅射电源，将Cu金属靶材的功率密度调节至8W/cm2，沉积40min，膜厚约为1μm。
5、磁控溅射制备沉积绝缘封装AlN层
(1)Al金属靶材预处理。将腔体环境温度加热至175℃，使用机械泵与分子泵二级装置将沉积腔室本底抽真空，当腔室压力≤5.0×10-5Pa后，通入Ar，流量设定为55sccm，调节腔体内工作压力至1.2Pa，将Al金属靶材功率调节至2500W，靶功率密度为7W/cm2，预处理8min。该预溅射过程用以除去靶材表面氧化物等杂质污染，活化靶材表面原子，提高纯度的同时也提高靶材的溅射速率。
(2)沉积AlN绝缘层。已镀CuMnNi敏感元以及Cu电极栅的样品放入腔室，使用不锈钢板遮盖住Cu电极结构的外接线模块，本地真空抽至5mPa以下，维持腔室温度在400℃左右，通入Ar、N2，调节流量，使得Ar与N2混合气体的总流量为400sccm，N2分压比为40％，腔室环境压力固定为0.4Pa。打开偏压电源，设置偏压值在-150V。
然后转动转架，使样品正对且平行Al靶。开启磁控电源，将Al金属靶材功率密度调节至7W/cm2，沉积20min，AlN层厚度约为0.7μm。沉积结束待炉腔冷却至150℃以下，取出样品。
(2)ALD沉积Al2O3填补层。AlN绝缘层完成之后，将样品移到原子层沉积设备腔室内，使用不锈钢板遮盖住Cu电极结构的外接线模块，加热至400℃。分别以三甲基铝(TMA)和水蒸气作为前驱体，纯度为99.999％的N2作为吹扫气体制备厚度为300nm的Al2O3涂层用来填充AlN绝缘层的孔洞。
6、使用电弧离子镀制备耐磨防护层TiAlN。
(1)Ti金属靶材和Al金属靶材预处理。将腔体环境温度加热至175℃，使用机械泵与分子泵二级装置将沉积腔室本底抽真空，当腔室压力≤5.0×10-5Pa后，通入Ar，流量设定为55sccm，调节腔体内工作压力至1.2Pa，将Ti金属靶材和Al金属靶材电流调节至1600W，靶功率密度为5W/cm2，预处理8min。该预溅射过程用以除去靶材表面氧化物等杂质污染，活化靶材表面原子，提高纯度的同时也提高靶材的溅射速率。
(2)制备耐磨防护层TiAlN。已镀CuMnNi敏感元、Cu电极栅、绝缘层封装层的样品放入腔室，使用不锈钢板遮盖住Cu电极结构的外接线模块，本地真空抽至5mPa以下将腔体温度加热且保持在400℃，通入Ar，流量值为300sccm，打开偏压电源，偏压值为-600V，对基体进行辉光清洗10min，然后降低偏压值为-200V，打开Booster离子源电源，设置离子源功率为1200W，对覆有掩膜版的基体进行刻蚀2min。然后温度保持在400℃，通入Ar与N2混合气体的总流量为400sccm，N2分压比为40％，腔室环境压力保持为0.4Pa。开启偏压电源，偏压值为-150V。转动样品台，转速调节至2r/min。将Ti金属靶材和Al金属靶材功率密度分别调节至5W/cm2，沉积120min，TiAlN层厚度约为2μm。
实施例2
本实施例为薄膜压力传感器的制备。
本实施例与实施例1的区别在于：沉积CuMnNi薄膜：
预溅射完成之后，利用夹具将掩膜版固定且紧贴在已经镀有绝缘层的金属基体上，再整体固定在PVD沉积设备的炉腔转架上。首先将腔体温度加热且保持在400℃，本地真空抽至5mPa以下，通入Ar，流量值为300sccm，打开偏压电源，偏压值为-600V，对覆有掩膜版的基体进行辉光清洗10min，然后降低偏压值为-200V，打开Booster离子源电源，设置离子源功率为1200W，对覆有掩膜版的基体进行刻蚀2min。然后将Ar流量值调为240sccm左右，维持腔压在0.5Pa，调节偏压值为-100V，温度保持在400℃。打开磁控溅射电源，将CuMnNi合金靶材的功率密度调节至8W/cm2，沉积100min，膜厚约为2μm。
实施例3
本实施例为薄膜压力传感器的制备。
本实施例与实施例1的区别在于：沉积CuMnNi薄膜：
预溅射完成之后，利用夹具将掩膜版固定且紧贴在已经镀有绝缘层的金属基体上，再整体固定在PVD沉积设备的炉腔转架上。首先将腔体温度加热且保持在400℃，本地真空抽至5mPa以下，通入Ar，流量值为300sccm，打开偏压电源，偏压值为-600V，对覆有掩膜版的基体进行辉光清洗10min，然后降低偏压值为-200V，打开Booster离子源电源，设置离子源功率为1200W，对覆有掩膜版的基体进行刻蚀2min。然后将Ar流量值调为240sccm左右，维持腔压在0.5Pa，调节偏压值为-150V，温度保持在400℃。打开磁控溅射电源，将CuMnNi合金靶材的功率密度调节至8W/cm2，沉积100min，膜厚约为2μm。
实施例4
本实施例为薄膜压力传感器的制备。
本实施例与实施例1的区别在于：沉积CuMnNi薄膜：
预溅射完成之后，利用夹具将掩膜版固定且紧贴在已经镀有绝缘层的金属基体上，再整体固定在PVD沉积设备的炉腔转架上。首先将腔体温度加热且保持在400℃，本地真空抽至5mPa以下，通入Ar，流量值为300sccm，打开偏压电源，偏压值为-600V，对覆有掩膜版的基体进行辉光清洗10min，然后降低偏压值为-200V，打开Booster离子源电源，设置离子源功率为1200W，对覆有掩膜版的基体进行刻蚀2min。然后将Ar流量值调为240sccm左右，维持腔压在0.5Pa，调节偏压值为-200V，温度保持在400℃。打开磁控溅射电源，将CuMnNi合金靶材的功率密度调节至8W/cm2，沉积100min，膜厚约为2μm。
实施例5
本实施例为薄膜压力传感器的制备。
本实施例与实施例1的区别在于：沉积CuMnNi薄膜：
预溅射完成之后，利用夹具将掩膜版固定且紧贴在已经镀有绝缘层的金属基体上，再整体固定在PVD沉积设备的炉腔转架上。首先将腔体温度加热且保持在400℃，本地真空抽至5mPa以下，通入Ar，流量值为300sccm，打开偏压电源，偏压值为-600V，对覆有掩膜版的基体进行辉光清洗10min，然后降低偏压值为-200V，打开Booster离子源电源，设置离子源功率为1200W，对覆有掩膜版的基体进行刻蚀2min。然后将Ar流量值调为240sccm左右，维持腔压在0.5Pa，调节偏压值为-250V，温度保持在400℃。打开磁控溅射电源，将CuMnNi合金靶材的功率密度调节至8W/cm2，沉积100min，膜厚约为2μm。
试验例
压阻接线测试及分析
(1)焊接引线：使用锡焊将外接的铜丝与实施例1～5制得的薄膜传感器上未被镀上封装膜的铜电极焊接在一起，外接的漆包铜丝线连接在高分辨的电阻测试仪上测试压阻敏感层的电阻变化。
(2)压力测试：将薄膜传感器放置在万能压力实验机上，使用定制的压头正压在敏感元上，记载不同压力时电阻测试仪上的压阻敏感层阻值变化。
图6为-50V～-250V不同偏压下压阻敏感层的阻值随压力的变化曲线。
从图6可以看出，实施例1～5制得的薄膜传感器量程最大为3Gpa；
在偏压为-50V时CuMnNi压阻敏感元在不同压应力作用下的阻值变化率，其阻值随着压力的增大而变大，压阻系数为5.87×10-4GPa，拟合的线性度高达99.8％，压阻系数较小，线性度良好；
在偏压为-100V时CuMnNi压阻敏感元在不同压应力作用下的阻值变化率，其阻值随着压力的增大而变大，压阻系数为1.26×10-3GPa，拟合的线性度高达99.9％，压阻系数较大，且线性度良好；
在偏压为-150V时CuMnNi压阻敏感元在不同压应力作用下的阻值变化率，其阻值随着压力的增大而变大，压阻系数为3.25×10-4GPa，拟合的线性度高达99％，压阻系数较大，且线性度良好；
在偏压为-200V时CuMnNi压阻敏感元在不同压应力作用下的阻值变化率，其阻值随着压力的增大而变大，压阻系数为4.114×10-4GPa，拟合的线性度高达99.6％，压阻系数较大，且线性度良好；
在偏压为-250V时CuMnNi压阻敏感元在不同压应力作用下的阻值变化率，其阻值随着压力的增大而变大，压阻系数为4.405×10-4GPa，拟合的线性度高达99.5％，压阻系数较大，且线性度良好。
图7为-50V～-250V不同偏压腔压下及多次重复测试后压阻系数的变化。
图中可以看出在偏压为-200V时CuMnNi压阻敏感元10次重复测试其重复性较好，基本无偏差，但是其压阻系数较低；
在偏压为-100V时CuMnNi压阻敏感元10次重复测试其重复性较差，偏差较大，但是其压阻系数高于其他偏压下沉积的压阻敏感元；
在偏压为-150V时CuMnNi压阻敏感元10次重复测试其重复性较好，基本无偏差，但是其压阻系数较低；
在偏压为-200V时CuMnNi压阻敏感元10次重复测试其重复性较好，基本无偏差，但是其压阻系数较低；
在偏压为-200V时CuMnNi压阻敏感元10次重复测试其重复性较好，基本无偏差，但是其压阻系数较低。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种薄膜压力传感器，其特征在于，包括：由下至上设置的金属基体、第一绝缘层、压阻敏感层、第二绝缘层和耐磨防护层；
所述第一绝缘层和所述第二绝缘层之间还设置有电极层，所述电极层与压阻敏感层连接；
所述压阻敏感层为Cu84Mn12Ni4；
所述第一绝缘层和第二绝缘层为AlN；
在背离所述金属基体的所述第一绝缘层的表面和第二绝缘层的表面设置有填充层；
所述填充层为Al2O3。
2.根据权利要求1所述的薄膜压力传感器，其特征在于，所述金属基体为不锈钢、模具钢或硬质合金；
所述电极层为Cu。
3.根据权利要求1所述的薄膜压力传感器，其特征在于，所述耐磨防护层为TiAlN。
4.根据权利要求1所述的薄膜压力传感器，其特征在于，所述压阻敏感层的厚度为0.5～2微米；
所述电极层的厚度为0.5～2.5微米。
5.权利要求1至4任意一项所述的薄膜压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：采用磁控溅射沉积第一绝缘层；
步骤2：利用敏感元掩膜版和磁控溅射在所述第一绝缘层上沉积压阻敏感层；所述压阻敏感层为Cu84Mn12Ni4；
步骤3：利用电极掩膜版和磁控溅射在所述第一绝缘层上沉积电极层，且所述电极层与所述压阻敏感层连接；
步骤4：采用磁控溅射沉积第二绝缘层，使所述电极层和所述压阻敏感层封闭在所述第二绝缘层之间；
步骤5：采用电弧离子镀在所述第二绝缘层上制备防护层。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述耐磨防护层为TiAlN；
所述第一绝缘层和第二绝缘层为AlN；
所述金属基体为不锈钢、模具钢或硬质合金；
所述电极层为Cu。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述第一绝缘层上沉积电极层之前，还包括：在所述第一绝缘层表面采用原子层沉积填充层；
所述填充层为Al2O3。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在所述第二绝缘层表面上制备防护层之前，还包括：在所述第二绝缘层表面沉积填充层；
所述填充层为Al2O3。
9.权利要求1至4任意一项所述的薄膜压力传感器在检测压力中的应用。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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