CN114910196A - 微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法 - Google Patents
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Abstract
微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法，将传感器基体置于聚焦离子束平台腔体中，抽真空后，聚焦离子束沉积方式加热金属源沉积成具有两个平行平面的电极，具有两个平行平面的电极的尺度为微米级；具有两个平行平面的电极通过聚焦离子束沉积方式形成导线，导线连接至预留的测试引脚，关闭金属源后，将聚焦离子束沉积方式切换为离子束切割模式以切割具有两个平行平面的电极生成蛇形的或非蛇形的空气间隙，具有两个平行平面的电极被S型的空气间隙分成相互独立的两个独立的电极以形成电极‑蛇形的或非蛇形的空气间隙‑电极的平面电容式压力传感器。具有S型结构的空气间隙可以更好地适应压力条件下产生的变形情况。
Description
技术领域
本发明涉及于微观尺度下的压力传感器技术领域，尤其涉及一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法。
背景技术
非平面电容式压力传感器在许多领域都展现出了巨大的应用潜力。传统依赖电介质层厚度改变反映压力信号的方式虽然具有结构简单、能耗低、易读取和稳定性高的优势，但弹性介电层往往存在不可压缩厚度。不仅如此，许多针对介电层的织构化手段借助高聚物倒模等手段进行，都导致了压力传感器的纵向和横向尺寸较大，不利于实现微观尺度下的压力识别和传感器集成，也因此限制了压力传感器在复杂环境乃至变形条件下的应用前景。从而需要一种面向微接触区域的压力传感器的创新设计。
在背景技术部分中公开的上述信息仅仅用于增强对本发明背景的理解，因此可能包含不构成本领域普通技术人员公知的现有技术的信息。
发明内容
本发明的目的是提供一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法。能采用聚焦离子束沉积的方式在传感器基体表面制备了微米尺度的电极-蛇形的或非蛇形的空气间隙-电极结构式传感器，通过压力作用下电极间电荷交换通道的建立实现了对于压力的超灵敏响应能力。而且这种结构具有通用性，蛇形的或非蛇形的空气间隙的尺寸和形状并不受限于提及的直线型等结构，而且电极材料和基体材料的选取也具有可替换性。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法包括：
第一步骤，将传感器基体置于聚焦离子束平台腔体中，抽真空至满足离子束沉积工艺的要求后，以聚焦离子束沉积方式加热金属源/碳源，沉积成具有两个平行平面的电极，所述具有两个平行平面的电极的尺度为微米级；
第二步骤，所述具有两个平行平面的电极通过聚焦离子束沉积方式形成导线，所述导线作为所述平面电容式压力传感器的连接线并穿出所述两个平行平面；
第三步骤，将聚焦离子束沉积方式切换为离子束切割模式以切割所述具有两个平行平面的电极生成蛇形的或非蛇形的空气间隙并将所述导线切割为第一导线和第二导线，所述具有两个平行平面的电极被蛇形的或非蛇形的空气间隙分成相互独立的两个独立的电极以形成电极-蛇形的或非蛇形的空气间隙-电极的平面电容式压力传感器；其中，所述两个独立的电极分别通过第一导线和第二导线传递信号。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法中，所述金属源包括铂、金、铜和银。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法中，第一步骤中，所述具有两个平行平面的电极的长和宽分别为微米级且均大于厚度的至少5倍。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法中，第二步骤中，蛇形的或非蛇形的空气间隙的宽度为纳米级。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法中，第二步骤中，所述蛇形的或非蛇形的空气间隙为蛇形的或非蛇形的空气间隙。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法中，第二步骤中，所述蛇形的或非蛇形的空气间隙的形状为S状结构。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法中，第二步骤中，所述导线为不同于具有两个平行平面的电极的材料沉积而成。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法中，聚焦离子束沉积方式加热铂金属源后沉积厚度为1μm、面积为12μm×5μm的具有两个平行平面的电极。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法中，所述蛇形的或非蛇形的空气间隙宽度为200nm。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法中，利用反应离子刻蚀工艺切割所述具有两个平行平面的电极生成空气带隙。
在上述技术方案中，本发明提供的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法，具有以下有益效果：本发明所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法面向微接触区域的压力传感器制备，使用通用结构设计实现了微米尺度下的压力感知，显而易见的，这具有重要的应用价值。同时提出了微观尺度下集成传感器阵列的方式。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法的制备过程和样品示意图。其中，图1(a)为沉积电极；图1(b)为测试连线沉积；图1(c)切割蛇形的或非蛇形的空气间隙；图1(d)传感器测试引脚连线；图1(e)传感器内部x方向电场强度分布；图1(f)传感器内部y方向电场强度分布；
图2为本发明中微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法的单一压力传感器的测试加载方式及信号输出特性表征示意图。其中，图2(a)为原位沉积加载可控压力的方式；图2(b)为灵敏度测试曲线；
图3为本发明中微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法的宏观预留的测试引脚的设计图及实物示意图。其中，图3(a)为连线设计结构；图3(b)连线实物示意图；
图4为本发明中微米尺度的平面电容式压力传感器在横向变形条件下的应变状态以应力分布情况。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图1至图4，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法包括，
第一步骤，将传感器基体置于聚焦离子束平台腔体中，抽真空至满足离子束沉积工艺的要求后，以聚焦离子束沉积方式加热金属源/碳源，沉积成具有两个平行平面的电极，所述具有两个平行平面的电极的尺度为微米级；
第二步骤，所述具有两个平行平面的电极通过聚焦离子束沉积方式形成导线，所述导线作为所述平面电容式压力传感器的连接线并穿出所述两个平行平面；
第三步骤，将聚焦离子束沉积方式切换为离子束切割模式以切割所述具有两个平行平面的电极生成蛇形的或非蛇形的空气间隙并将所述导线切割为第一导线和第二导线，所述具有两个平行平面的电极被蛇形的或非蛇形的空气间隙分成相互独立的两个独立的电极以形成电极-蛇形的或非蛇形的空气间隙-电极的平面电容式压力传感器；其中，所述两个独立的电极分别通过第一导线和第二导线传递信号。
能够理解，当所述微米尺度的平面电容式压力传感器放置于两个宏观尺度的测试引脚的中间位置时，当平面电容式压力传感器产生电容变化信号时，蛇形的或非蛇形的空气间隙两侧的独立的电极分别通过第一、第二导线将信号传递至测试引脚。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法的优选实施方式中，所述金属源包括铂、金、铜和银。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法的优选实施方式中，第一步骤中，所述具有两个平行平面的电极的长和宽分别为微米级且均大于厚度的至少5倍。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法的优选实施方式中，第二步骤中，蛇形的或非蛇形的空气间隙的宽度为纳米级。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法的优选实施方式中，第二步骤中，所述蛇形的或非蛇形的空气间隙为蛇形的或非蛇形的空气间隙。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法的优选实施方式中，第二步骤中，所述蛇形的或非蛇形的空气间隙的形状为S状结构。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法的优选实施方式中，第二步骤中，所述导线为不同于具有两个平行平面的电极的金属材料沉积而成。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法的优选实施方式中，聚焦离子束沉积方式加热铂金属源后沉积厚度为1μm、面积为12μm×5μm的具有两个平行平面的电极。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法的优选实施方式中，所述蛇形的或非蛇形的空气间隙宽度为200nm。
所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法的优选实施方式中，利用反应离子刻蚀工艺切割所述具有两个平行平面的电极生成空气带隙。
在一个实施例中，制备蛇形的或非蛇形的空气间隙的方式为打印或光刻等方式。
在一个实施例中，方法包括：
1)将传感器基体置于聚焦离子束平台腔体中，抽真空至9×10-6mbar以下，选择聚焦离子束的沉积功能，加热铂金属源后沉积厚度为1μm、面积为12μm×5μm的具有两个平行平面的电极；步骤1)中沉积具有两个平行平面的电极的具体操作为：首先将传感器基体通过碳导电胶贴附在FIB样品台并缓慢拉开腔门放置样品，抽真空至9×10-6mbar以下。然后激活电子束并调整焦距、像散和明暗度等参数至获得较好的观察图像，这也是扫描电子显微镜的常用操作步骤。接着激活离子束并选择合适的加速电压和束流，得到离子束图像，并编辑待加工形状和类型。这里需要选择聚焦离子束的沉积功能，加热铂金属源后沉积厚度为1μm、面积为12μm×5μm的具有两个平行平面的电极。
2)当电极沉积完成后，需要将电极通过聚焦离子束沉积的铂导线连接至预留的测试引脚。关闭金属源后，将聚焦离子束沉积方式切换为离子束切割模式，并设置切割图形和范围，这里切割宽度为200nm，形状为蛇形。切割完成后具有两个平行平面的电极被蛇形的或非蛇形的空气间隙分成相互独立的两个部分，至此，器件整体就形成了电极-蛇形的或非蛇形的空气间隙-电极的平面电容式压力传感器结构，步骤2)中对沉积形成的具有两个平行平面的电极进行切割，并设置切割图形和范围，这里切割宽度为200nm。
3)微观尺度的平面电容式压力传感器制备完成后，器件位于两宏观尺度测试引脚的中间位置，当传感器产生电容变化的信号时，蛇形的或非蛇形的空气间隙两侧的独立电极分别通过铂导线将信号传递至预留引脚，步骤3)在测试过程中需要将器件先连接至测试引脚，并通过电容测试设备对输出信号进行采集。
下面列举几个本发明的具体实施例：
实施例1
1)将传感器基体置于聚焦离子束平台腔体中，抽真空至9×10-6mbar以下，选择聚焦离子束的沉积功能，加热铂金属源后沉积厚度为5μm、面积为100μm×50μm的具有两个平行平面的电极；
2)当电极沉积完成后，需要将电极通过聚焦离子束沉积的铂导线连接至预留的测试引脚。关闭金属源后，将聚焦离子束沉积方式切换为离子束切割模式，并设置切割图形和范围，这里切割宽度为200nm，形状为“Ss”。切割完成后具有两个平行平面的电极被蛇形的或非蛇形的空气间隙分成相互独立的两个部分，至此，器件整体就形成了电极-蛇形的或非蛇形的空气间隙-电极的平面电容式压力传感器结构。
3)微观尺度的平面电容式压力传感器制备完成后，器件位于两宏观尺度测试引脚的中间位置，当传感器产生电容变化的信号时，蛇形的或非蛇形的空气间隙两侧的独立电极分别通过铂导线将信号传递至预留引脚。
实施例2
1)将传感器基体置于聚焦离子束平台腔体中，抽真空至9×10-6mbar以下，选择聚焦离子束的沉积功能，加热铜金属源后沉积厚度为1μm、面积为12μm×5μm的具有两个平行平面的电极；
2)当电极沉积完成后，需要将电极通过聚焦离子束沉积的铜导线连接至预留的测试引脚。关闭金属源后，将聚焦离子束沉积方式切换为离子束切割模式，并设置切割图形和范围，这里切割宽度为200nm，形状为“Ss”。切割完成后具有两个平行平面的电极被蛇形的或非蛇形的空气间隙分成相互独立的两个部分，至此，器件整体就形成了电极-蛇形的或非蛇形的空气间隙-电极的平面电容式压力传感器结构。
3)微观尺度的平面电容式压力传感器制备完成后，器件位于两宏观尺度测试引脚的中间位置，当传感器产生电容变化的信号时，蛇形的或非蛇形的空气间隙两侧的独立电极分别通过铜导线将信号传递至预留引脚。
实施例3
1)在陶瓷基体表面喷涂光刻胶后结合掩模曝光工艺形成预沉积器件的位置；
2)在曝光后的基体表面沉积薄膜并湿法腐蚀后去除部分薄膜，形成一体结构。至此，器件整体就形成了电极-蛇形的或非蛇形的空气间隙-电极的平面电容式压力传感器结构。
3)微观尺度的平面电容式压力传感器制备完成后，器件位于两宏观尺度测试引脚的中间位置，当传感器产生电容变化的信号时，蛇形的或非蛇形的空气间隙两侧的独立电极分别通过铂导线将信号传递至预留引脚。
实施例4
1)将传感器基体置于聚焦离子束平台腔体中，抽真空至9×10-6mbar以下，选择聚焦离子束的沉积功能，加热铂金属源后沉积厚度为1μm、面积为12μm×5μm的具有两个平行平面的电极；
2)当电极沉积完成后，需要将电极通过聚焦离子束沉积的铂导线连接至预留的测试引脚。关闭金属源后，利用反应离子刻蚀工艺，切割出宽度为200nm，形状为“Ss”的蛇形的或非蛇形的空气间隙。切割完成后具有两个平行平面的电极被蛇形的或非蛇形的空气间隙分成相互独立的两个部分，至此，器件整体就形成了电极-蛇形的或非蛇形的空气间隙-电极的平面电容式压力传感器结构。
3)微观尺度的平面电容式压力传感器制备完成后，器件位于两宏观尺度测试引脚的中间位置，当传感器产生电容变化的信号时，蛇形的或非蛇形的空气间隙两侧的独立电极分别通过铂导线将信号传递至预留引脚。
实施例5
1)将传感器基体置于聚焦离子束平台腔体中，抽真空至9×10-6mbar以下，选择聚焦离子束的沉积功能，加热铂金属源后沉积厚度为1μm、面积为10μm×5μm的具有两个平行平面的电极；
2)当电极沉积完成后，需要将电极通过聚焦离子束沉积的铂导线连接至预留的测试引脚。关闭金属源后，将聚焦离子束沉积方式切换为离子束切割模式，并设置切割图形和范围，这里切割宽度为500nm，形状为直线型。切割完成后具有两个平行平面的电极被蛇形的或非蛇形的空气间隙分成相互独立的两个部分，至此，器件整体就形成了电极-蛇形的或非蛇形的空气间隙-电极的平面电容式压力传感器结构。
3)微观尺度的平面电容式压力传感器制备完成后，器件位于两宏观尺度测试引脚的中间位置，当传感器产生电容变化的信号时，蛇形的或非蛇形的空气间隙两侧的独立电极分别通过铂导线将信号传递至预留引脚。
实施例6
1)将柔性PET基体置于聚焦离子束平台腔体中，抽真空至9×10-6mbar以下，选择聚焦离子束的沉积功能，加热碳源后沉积厚度为5μm、面积为100μm×50μm的具有两个平行平面的电极；
2)当电极沉积完成后，需要将电极通过聚焦离子束沉积的碳导线连接至预留的测试引脚。关闭碳源后，将聚焦离子束沉积方式切换为离子束切割模式，并设置切割图形和范围，这里切割宽度为500nm，形状为蛇形。切割完成后具有两个平行平面的电极被蛇形的或非蛇形的空气间隙分成相互独立的两个部分，至此，器件整体就形成了电极-蛇形的或非蛇形的空气间隙-电极的平面电容式压力传感器结构。
3)微观尺度的平面电容式压力传感器制备完成后，器件位于两宏观尺度测试引脚的中间位置，当传感器产生电容变化的信号时，蛇形的或非蛇形的空气间隙两侧的独立电极分别通过铂导线将信号传递至预留引脚。
需要说明的是，关于上述示例的1微米，理论上本公开揭示的传感器的工作原理对于器件的尺寸并没有严格的要求，主要是受到加工工艺的限制。微米尺度下因为很难加工出低于1微米厚度的器件，所以示例中选择了1微米作为最小极限，尺寸其实并没有最小要求，但当前的加工极限导致本公开的具体实施例中以1微米为例作为当前加工条件下器件的最小极限，最大尺寸则无要求，1000微米甚至更大都是可以的。
此外，本方法可以通过掩膜工艺以及相应的掩膜版来实施。
本方法构成如电极-蛇形的或非蛇形的空气间隙-电极结构，可以在压力作用下产生电荷交换通道实现对于压力刺激的灵敏感知，并适用于微观尺度下的传感器制备。另一方面，这种结构具有通用性，本公开所述的蛇形的或非蛇形的空气间隙的尺寸和形状在包括S型结构的前提下，并不受限于单一的S型结构，其可以是复杂的各种尺寸比例的S型结构的混合使用，而且电极材料和基体材料的选取也具有可替换性。当选取蛇形间隙时，传感器具有对于横向变形更强的适应性，图4的仿真分析清楚的表明了该性能特点。该结构之所以具有抵抗横向变形的能力，我们认为：在柔性电子领域或高压力(二维作用)条件下，传感器中空气间隙结构产生的变形可以被S型结构有效适应，从而保持稳定的工作状态，延长传感器的使用寿命，而且S型间隙具有更长的有效感应长度，进一步提高对压力的感知范围，抵抗横向变形，提高输出灵敏度。该结构简单，适用于航空航天、工业装备等领域具有尺寸限制的高压检测场景，尤其是横向尺寸受限的场景。当然，该传感器的纵向尺寸相比横向尺寸更具有优势。
最后应该说明的是：所描述的实施例仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。
Claims (10)
1.一种微米尺度的平面电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：
第一步骤，将传感器基体置于聚焦离子束平台腔体中，抽真空至满足离子束沉积工艺的要求后，以聚焦离子束沉积方式加热金属源/碳源，沉积成具有两个平行平面的电极，所述具有两个平行平面的电极的尺度为微米级；
第二步骤，所述具有两个平行平面的电极通过聚焦离子束沉积方式形成导线，所述导线作为所述平面电容式压力传感器的连接线并穿出所述两个平行平面；
第三步骤，将聚焦离子束沉积方式切换为离子束切割模式以切割所述具有两个平行平面的电极生成蛇形的或非蛇形的空气间隙并将所述导线切割为第一导线和第二导线，所述具有两个平行平面的电极被蛇形的或非蛇形的空气间隙分成相互独立的两个独立的电极以形成电极-蛇形的或非蛇形的空气间隙-电极的平面电容式压力传感器；其中，所述两个独立的电极分别通过第一导线和第二导线传递信号。
2.根据权利要求1所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法，其特征在于，优选的，所述金属源包括铂、金、铜和银。
3.根据权利要求1所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法，其特征在于，第一步骤中，所述具有两个平行平面的电极的长和宽分别为微米级且均大于厚度的至少5倍。
4.根据权利要求3所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法，其特征在于，第二步骤中，蛇形的或非蛇形的空气间隙的宽度为纳米级。
5.根据权利要求1所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法，其特征在于，第二步骤中，所述蛇形的或非蛇形的空气间隙为蛇形的或非蛇形的空气间隙。
6.根据权利要求1所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法，其特征在于，第二步骤中，所述蛇形的或非蛇形的空气间隙的形状为S状结构。
7.根据权利要求1所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法，其特征在于，第二步骤中，所述导线为不同于具有两个平行平面的电极的材料沉积而成。
8.根据权利要求1所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法，其特征在于，聚焦离子束沉积方式加热铂金属源后沉积厚度为1μm、面积为12μm×5μm的具有两个平行平面的电极。
9.根据权利要求8所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法，其特征在于，所述蛇形的或非蛇形的空气间隙宽度为200nm。
10.根据权利要求1所述的一种微米尺度的平面电容式压力传感器制备方法，其特征在于，利用反应离子刻蚀工艺切割所述具有两个平行平面的电极生成空气带隙。
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2022
- 2022-04-22 CN CN202210431683.0A patent/CN114910196A/zh active Pending
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