CN114322740A - 一种基于磁控溅射的复合薄膜应变计及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁控溅射的复合薄膜应变计，该复合薄膜应变计包括不锈钢基底、氧化铝绝缘层、镍铬合金薄膜应变层、环氧导电胶、氧化铝保护层和铜导线，本发明采用磁控溅射沉积薄膜，薄膜致密均匀，稳定性高，测量应变性能好，在低温环境中受外界环境影响小；本发明采用光刻掩膜版图形化应变栅方案，适用于在小尺寸部件及精度要求高的部件表面图形化应变栅，图形小精度高，操作流程简单；本发明应变层应变栅图形由四个相同的基本应变栅单元组成，任意一个横向和纵向成对可以与外部电路相接构成惠斯通电桥实现具备温度补偿作用的应力的测量，同时还可以实现对四个基本应变栅单元的电阻进行单独测量。
Description
技术领域：
本发明涉及薄膜传感器设计与生产技术领域，具体是一种基于磁控溅射的复合薄膜应变计及其制备方法。
背景技术：
薄膜是指某种材料在厚度方向上尺度远远小于其他二维，通常把厚度在1微米以下的称为薄膜。由于薄膜材料厚度很薄，就有很明显的尺寸效应，也就是薄膜材料的某些自身性质会因厚度改变而发生变化，使得薄膜材料具有独特的性质。薄膜在众多领域都有广泛应用，包括光学、电学、磁学、声学及力学等，种类更是繁多。除此之外，多功能化和小型化是未来技术发展的趋势，而薄膜器件正适合这个发展方向，而且根据不同的应用环境和需求，薄膜制备方法也越来越多，例如真空蒸镀、离子镀、溅射镀膜、分子束外延以及化学气相沉积等，因而越来越多基于薄膜的器件在诸多科学和生活领域中得到广泛应用。薄膜应变计是一种测量应力应变的器件，与外部电路相连后经过信号放大等处理能够将力信号转变为电信号输出。
应力测量器件主要有金属丝式应变片、箔式应变片和薄膜应变计。金属丝式应变片通常使用绝缘胶将应变片与基底粘接，虽然可以在曲面也可以粘接，但很容易因为长时间工作和温度等因素而导致胶翘起而使应变片测量不准甚至完全失效。
目前常用的薄膜应变计结构都为复合型薄膜结构，其原因在于绝缘层是为了防止应变层与金属基底短路，而且一般选用在工作环境中电阻大，与金属基底附着能力强的材料。应变层也可以为采用多层复合结构来尽量减小应变计的电阻温度系数，对电阻温度系数起到补偿作用。而保护层则是对应变层起到保护作用，防止应变层被外界环境氧化或者污染而失效。
目前使用的应变层薄膜材料主要有镍铬合金、钯铬合金等合金以及TaN(氮化钽)等半导体材料。国内对薄膜应变计的研究也比较广泛，如电子科技大学硕士论文《PdCr高温薄膜应变计的研制》等，研究在高温环境中薄膜应变计的制备和性能，虽然钯铬合金薄膜在高温环境中有更好的性能，但其电阻温度系数比较大，不适于在温度变化剧烈的环境中，而上述半导体材料电阻温度系数为较大的负值。
目前通过光刻图形化应变栅的方式是先在基底上沉积合金薄膜，然后再在上面旋涂光刻胶，用光刻掩膜版做遮挡经紫外光刻系统曝光后显影坚膜制备出图形，然后经过离子束刻蚀后刻蚀掉应变栅图形之外的镍铬薄膜，然后清洗掉光刻胶，该方法增加刻蚀流程带来的误差以及其他可变因素，图形精度比较低。
发明内容：
本发明的目的就是为了解决现有问题，而提供一种实现薄膜应变计与金属基底一体化，提高应变计与基底的附着力，增强其可靠性，而且使得应变栅图形化过程简单稳定，图形精度更高，更易小型化应变计；还能采用任意成对测量栅与外部电路构成惠斯通电桥测量应力应变，比较其任意成对应变栅的性能，得到更加准确结果的基于磁控溅射的复合薄膜应变计及其制备方法。
本发明的技术解决措施如下：
一种基于磁控溅射的复合薄膜应变计，该复合薄膜应变计包括不锈钢基底、氧化铝绝缘层、镍铬合金薄膜应变层、环氧导电胶、氧化铝保护层和铜导线，其中:
所述氧化铝绝缘层沉积在所述不锈钢基底表面，所述镍铬合金薄膜应变层沉积于所述氧化铝绝缘层表面，所述铜导线通过所述环氧导电胶固化于所述镍铬合金薄膜应变层的电极区域表面，所述氧化铝保护层沉积在所述镍铬合金薄膜应变层上。
作为优选，所述镍铬合金薄膜应变层位于氧化铝绝缘层和氧化铝保护层之间。
作为优选，所述镍铬合金薄膜应变层包括四个电极区域和四个应变栅，所述应变栅呈矩阵分布且相邻的两端导通同一电极区域。
基于磁控溅射的复合薄膜应变计的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：基底清洗：不锈钢基底经过抛光处理达到沉积的要求后，依次使用无水乙醇和去离子水对不锈钢基底表面进行清洗5min；
步骤2：绝缘层制备：在清洗干燥好的不锈钢基底表面沉积氧化铝绝缘层；
步骤3：应变层凹模制备：在已经沉积氧化铝绝缘层的不锈钢基底上旋涂光刻胶，用光刻掩膜版贴合光刻胶定位后，在紫外光刻系统中曝光，最后显影坚膜得到与镍铬合金薄膜应变层形状一致的凹模；
步骤4：应变层制备：在步骤3的基础上，采用磁控溅射的方法沉积镍铬合金薄膜；
步骤5：清洗光刻胶：将步骤4中沉积好镍铬合金薄膜的不锈钢基底放置于丙酮溶液中清洗掉多余的光刻胶，得到与凹模形状一致的镍铬合金薄膜应变层；
步骤6：电极制备：在步骤5的基础上，用环氧导电胶将铜导线和镍铬合金薄膜应变层的电极区域连接固化，形成电极；
步骤7：保护层制备：在步骤6的基础上，采用磁控溅射方法将氧化铝保护层沉积在镍铬合金薄膜应变层上。
作为优选，步骤2中，采用磁控溅射方法，设置氧气和氩气气体流量比为1:20，将氧化铝绝缘层沉积于不锈钢基底表面，所述氧化铝绝缘层厚度为1～2μm。
作为优选，步骤3中，所述光刻掩膜版具有与镍铬合金薄膜应变层形状一致的曝光区、曝光区外围的非曝光区以及十字定位孔，所述光刻胶为正性光刻胶AZ6216。
作为优选，步骤5中，所述镍铬合金薄膜应变层厚度为1000nm。
作为优选，步骤6中，所述环氧导电胶将镍铬合金薄膜应变层的电极区域和铜导线粘接，然后在80℃的环境下加热固化两小时。
作为优选，步骤7中，采用磁控溅射方法，设置氧气和氩气气体流量比为1:20，将氧化铝保护层沉积于镍铬合金薄膜应变层上，氧化铝保护层厚度为1～2μm。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用紫外光刻作为应变层薄膜图形化方案，能够在部件表面实现更小线宽和更高精度的应变栅图形，适合于对图形尺寸和精度要求非常高的精密化部件。而且光刻掩膜版可以清洗使得多次循环使用。使得多次制备的应变计一致性更高而且步骤简单，生产流程大大简化，减少了外界因素影响，能够快速得到成熟的工艺条件；
2、本发明采用磁控溅射沉积应变层，相比蒸镀法制备得到的薄膜致密性要好，在中低温环境中其应变性能稳定性也非常好。基于射频磁控溅射，采用铝靶和氧气发生反应溅射沉积氧化铝薄膜致密性好，绝缘性好，而且铝靶不易靶中毒；
3、本发明应变层图形由四组成对的基本应变栅单元组成，可以分别与外部电路连接构成惠斯通电桥来测量应变，还能实现对四个基本应变栅单元电阻单独测量。除此之外，可以采用任意两队来测量也可以将四组都用来测量，将得到四组测量数据分析，如果有明显差别则可以判断出异常的应变栅，那么其他依然可以工作，如果四组数据差别不大，可以取其平均值做最终的输出。
附图说明：
图1为本发明的剖面示意图；
图2为本发明光刻掩膜版的俯视示意图；
图3为本发明镍铬合金薄膜应变层的俯视示意图；
附图中：1、不锈钢基底；2、氧化铝绝缘层；3、镍铬合金薄膜应变层；4、环氧导电胶；5、氧化铝保护层；6、铜导线；7、电极区域；8、应变栅；9、光刻掩膜版；10、曝光区；11、非曝光区；12、十字定位孔。
具体实施方式：
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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面结合附图1-3对本发明做进一步说明：
一种基于磁控溅射的复合薄膜应变计，该复合薄膜应变计包括不锈钢基底1、氧化铝绝缘层2、镍铬合金薄膜应变层3、环氧导电胶4、氧化铝保护层5和铜导线6，其中:所述氧化铝绝缘层2沉积在所述不锈钢基底1表面，所述镍铬合金薄膜应变层3沉积于所述氧化铝绝缘层2表面，所述铜导线6通过所述环氧导电胶4固化于所述镍铬合金薄膜应变层3的电极区域7表面，所述氧化铝保护层5沉积在所述镍铬合金薄膜应变层3上。
具体地，所述镍铬合金薄膜应变层3位于氧化铝绝缘层2和氧化铝保护层5之间。
具体地，所述镍铬合金薄膜应变层3包括四个电极区域7和四个应变栅8，所述应变栅8呈矩阵分布且相邻的两端导通同一电极区域7。
基于磁控溅射的复合薄膜应变计的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：基底清洗：选用(长×宽×高)15×15×2mm的不锈钢基底1，经过抛光处理达到沉积的要求后，依次使用无水乙醇和去离子水对不锈钢基底1表面进行清洗5min；
步骤2：绝缘层制备：将清洗干燥好的不锈钢基底1置于6.7×10-4的真空环境中，通入氩气和氧气作为工作气体，氧气和氩气比例设置为1:20，在溅射功率为100W、气压为1.2Pa的条件下沉积氧化铝薄膜到不锈钢基底1上，形成厚度为1～2μm的氧化铝绝缘层2；
步骤3：应变层凹模制备：先将已经沉积氧化铝绝缘层2的不锈钢基底1放在100℃的加热台上烘干10分钟，再将其放入旋涂机内并在其表面滴上AZ6216光刻胶，设定时间为30秒，取出涂好胶的不锈钢基底1并再次放置到100℃的加热台上加热2分钟，用光刻掩膜版9贴合光刻胶定位后，曝光区10(图2中的空白区域)在紫外光刻系统中曝光6秒，取下光刻掩膜版9后，涂好胶的不锈钢基底1放在显影液中显影10秒，吹干后得到与镍铬合金薄膜应变层3形状一致的凹模，在显微镜下观察凹模，如果凹模不完整则重新步骤3的流程；
步骤4：应变层制备：将步骤3中的不锈钢基底1放入6×10-4的真空环境中，通入高纯氩气，在工作气压为0.5Pa、溅射功率为50W的条件下采用磁控溅射的方法沉积镍铬合金薄膜；
步骤5：清洗光刻胶：将步骤4沉积好镍铬合金薄膜的不锈钢基底1放置于丙酮溶液中清洗掉非曝光区11多余的光刻胶，得到与凹模形状一致厚度为1000nm的镍铬合金薄膜应变层3；
步骤6：电极制备：在步骤5的基础上，用环氧导电胶将铜导线和镍铬合金薄膜应变层3的电极区域7粘结，然后放入烘箱在80℃的环境下加热2小时固化，形成电极；
步骤7：保护层制备：将步骤6后的不锈钢基底1置于6.7×10-4的真空环境中，通入氩气和氧气作工作气体，氧气和氩气比例设置为1:20，在溅射功率为100W、气压为1.2Pa的条件下将厚度为1～2μm的氧化铝薄膜沉积到镍铬合金薄膜应变层3上，形成氧化铝保护层5，从而制备得到基于磁控溅射的复合薄膜应变计。
以上所述只是用于理解本发明的方法和核心思想，应当指出，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，可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利的保护范围。
Claims (9)
1.一种基于磁控溅射的复合薄膜应变计，其特征在于：该复合薄膜应变计包括不锈钢基底(1)、氧化铝绝缘层(2)、镍铬合金薄膜应变层(3)、环氧导电胶(4)、氧化铝保护层(5)和铜导线(6)，其中:
所述氧化铝绝缘层(2)沉积在所述不锈钢基底(1)表面，所述镍铬合金薄膜应变层(3)沉积于所述氧化铝绝缘层(2)表面，所述铜导线(6)通过所述环氧导电胶(4)固化于所述镍铬合金薄膜应变层(3)的电极区域(7)表面，所述氧化铝保护层(5)沉积在所述镍铬合金薄膜应变层(3)上。
2.根据权利要求1所述的基于磁控溅射的复合薄膜应变计，其特征在于：所述镍铬合金薄膜应变层(3)位于氧化铝绝缘层(2)和氧化铝保护层(5)之间。
3.根据权利要求1所述的基于磁控溅射的复合薄膜应变计，其特征在于：所述镍铬合金薄膜应变层(3)包括四个电极区域(7)和四个应变栅(8)，所述应变栅(8)呈矩阵分布且相邻的两端导通同一电极区域(7)。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于磁控溅射的复合薄膜应变计的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：基底清洗：不锈钢基底(1)经过抛光处理达到沉积的要求后，依次使用无水乙醇和去离子水对不锈钢基底(1)表面进行清洗5min；
步骤2：绝缘层制备：在清洗干燥好的不锈钢基底(1)表面沉积氧化铝绝缘层(2)；
步骤3：应变层凹模制备：在已经沉积氧化铝绝缘层(2)的不锈钢基底(1)上旋涂光刻胶，用光刻掩膜版(9)贴合光刻胶定位后，在紫外光刻系统中曝光，最后显影坚膜得到与镍铬合金薄膜应变层(3)形状一致的凹模；
步骤4：应变层制备：在步骤3的基础上，采用磁控溅射的方法沉积镍铬合金薄膜；
步骤5：清洗光刻胶：将步骤4中沉积好镍铬合金薄膜的不锈钢基底(1)放置于丙酮溶液中清洗掉多余的光刻胶，得到与凹模形状一致的镍铬合金薄膜应变层(3)；
步骤6：电极制备：在步骤5的基础上，用环氧导电胶(4)将铜导线(6)和镍铬合金薄膜应变层(3)的电极区域(7)连接固化，形成电极；
步骤7：保护层制备：在步骤6的基础上，采用磁控溅射方法将氧化铝保护层(5)沉积在镍铬合金薄膜应变层(3)上。
5.根据权利要求4所述的基于磁控溅射的复合薄膜应变计的制备方法，其特征在于：步骤2中，采用磁控溅射方法，设置氧气和氩气气体流量比为1:20，将氧化铝绝缘层(2)沉积于不锈钢基底(1)表面，所述氧化铝绝缘层(2)厚度为1～2μm。
6.根据权利要求4所述的基于磁控溅射的复合薄膜应变计的制备方法，其特征在于：步骤3中，所述光刻掩膜版(9)具有与镍铬合金薄膜应变层(3)形状一致的曝光区(10)、曝光区(10)外围的非曝光区(11)以及十字定位孔(12)，所述光刻胶为正性光刻胶AZ6216。
7.根据权利要求4所述的基于磁控溅射的复合薄膜应变计的制备方法，其特征在于：步骤5中，所述镍铬合金薄膜应变层(3)厚度为1000nm。
8.根据权利要求4所述的基于磁控溅射的复合薄膜应变计的制备方法，其特征在于：步骤6中，所述环氧导电胶(4)将镍铬合金薄膜应变层(3)的电极区域(7)和铜导线(6)粘接，然后在80℃的环境下加热固化两小时。
9.根据权利要求4所述的基于磁控溅射的复合薄膜应变计的制备方法，其特征在于：步骤7中，采用磁控溅射方法，设置氧气和氩气气体流量比为1:20，将氧化铝保护层(5)沉积于镍铬合金薄膜应变层(3)上，氧化铝保护层(5)厚度为1～2μm。
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