CN117756048A - 一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微机电芯片制造与检测领域，尤其涉及一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片，包括PCB板，所述PCB板的最大应力集中处的表面设置有硅片基底和第一金属电极；所述硅片基底上依次设置有绝缘层、非晶碳薄膜和第二金属电极；所述第一金属电极和第二金属电极通过金丝连接。通过非晶碳薄膜包括横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条的设置，实现了同时对纵向压阻系数和横向压阻系数的测试，结构简单，非晶碳薄膜均一性好，非晶碳薄膜弹性模量和残余应力与基底适配性好。解决现有技术中存在的由于非晶碳薄膜均一性差及非晶碳薄膜的弹性模量和残余应力与基底不匹配，导致的压阻系数结果不准确，可靠性差的问题。
Description
技术领域
本发明涉及微机电芯片制造与检测领域，具体为一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁芯片及其制备方法。
背景技术
近年来随着压阻微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)的快速发展，压阻式压力传感器在车辆、生物医学及消费电子产品等领域中的应用越来越广泛。压阻式压力传感器性能很大程度上取决于压敏材料，其中压阻系数(Gauge Factor，GF)是材料电阻率变化率与应变的比值反映了压敏材料的灵敏度。
非晶碳(a-C)薄膜中的碳原子之间主要通过sp2和sp3共价键形成不规则的空间网状结构，由于其具有良好的机械、光学和化学性能，例如高的杨氏模量、抗拉强度和断裂强度以及良好的压阻性能、耐腐蚀性、化学惰性和低摩擦系数等，因此可作为压阻传感器的敏感元件。
传统材料的压阻系数是对检测材料施加应力，通过检测目标材料在不同晶面下沿不同晶相的电阻变化率，从而确定材料在不同晶面的各向压阻系数。非晶碳为非晶态薄膜，其厚度为10～500nm，其外在表现为各向同性，因此可以忽略厚度方向上的正应变和切应变。
目前研究均基于纵向压阻系数，有关于非晶碳的横向压阻系数研究较少。为减小传感器的体积，增大传感器的灵敏度，非晶碳的横向、纵向压阻因子的研究对MEMS传感器的制备仍具有重要意义。然而，目前的研究困难在于，一方面由于工艺不成熟，非晶碳薄膜的材料均一性较差；另一方面由于非晶碳的弹性模量和残余应力与基底的不适配，导致非晶碳容易出现褶皱和破裂导致测试结果准确性差，可靠性低。
发明内容
针对现有技术中存在的由于非晶碳薄膜均一性差及非晶碳薄膜的弹性模量和残余应力与基底不匹配，导致的压阻系数结果不准确，可靠性差的问题，本发明提供一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片，包括PCB板，所述PCB板的最大应力集中处的表面设置有硅片基底和第一金属电极；所述硅片基底上依次设置有绝缘层、非晶碳薄膜和第二金属电极；所述第一金属电极和第二金属电极通过金丝连接；
所述非晶碳薄膜包括横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条，所述第二电极分别覆盖横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条，并设置于非晶碳与绝缘层表面。
所述非晶碳压敏电阻条包括至少一组非晶碳压敏电阻条组，每组非晶碳压敏电阻条组中包括尺寸相同且相互垂直的横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条，横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条在绝缘层的宽度方向对称设置，横向非晶碳压敏电阻条的长度方向沿着绝缘层的宽度方向，纵向非晶碳压敏电阻条的长度方向沿着绝缘层的长度方向即X轴方向，横向非晶碳压敏电阻条长度方向的中心线过纵向非晶碳压敏电阻条的中点；
优选地，所述横向非晶碳压敏电阻条至微纳米梁测试芯片中线的距离与相同尺寸的纵向非晶碳压敏电阻条至微纳米梁测试芯片中线的距离相等。
优选地，所述绝缘层为氮化硅层、氧化硅层或者氮化硅层和氧化硅层的复合结构；当绝缘层采用氮化硅层和氧化硅层的复合结构时，氧化硅层设置于硅片基底表面，氮化硅层设置于氧化硅层表面，其中氧化硅层厚度为100～300nm，氮化硅层厚度为100～300nm。；所述第一金属电极和第二金属电极的材料为Au、Cr、Ti、Cu和Ni中的一种或多种。
优选地，所述微纳米梁测试芯片的长度为30～250mm，宽度为500～3000μm，厚度为100～500μm。
优选地，所述绝缘层的厚度为200～500nm。
优选地，所述横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条长宽比均为1～50，且长为10～500um，宽为10～500um，厚度为100～500nm。
优选地，微纳米梁测试芯片为悬臂梁测试芯片、双端简支梁测试芯片或双端固定支梁测试芯片；所述悬臂梁测试芯片远离非晶碳薄膜的一端设置有受力位置标记；所述双端简支梁测试芯片和双端固定支梁测试芯片的中心设置有受力位置标记。
如上述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备方法，包括以下步骤：
将绝缘层沉积在硅片基底上；
在绝缘层上制备掩膜一，并使掩膜一裸露出非晶碳薄膜的图形位置；
在非晶碳薄膜的图形位置处，沉积非晶碳薄膜，并剥离掩膜一；
掩膜一剥离后，在非晶碳薄膜的表面制备掩膜二，并使掩膜二裸露出第二金属电极的图形位置；
在第二金属电极的图形位置处，溅射第二金属电极，并剥离掩膜二，得到组合装置；
将组合装置固定在PCB板上；
将第一电极固定在PCB板上；
将组合装置的第二电极与第一电极键合连接，完成检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备。
优选地，采用物理气相沉积法或化学气象沉积法在非晶碳薄膜的图形位置处，沉积非晶碳薄膜。
优选地，在非晶碳薄膜的图形位置处，沉积非晶碳薄膜时，靶材为99.99％的高纯石墨靶材。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片，包括PCB板，所述PCB板的最大应力集中处的表面设置有硅片基底和第一金属电极；所述硅片基底上依次设置有绝缘层、非晶碳薄膜、第二金属电极；所述第一金属电极和第二金属电极通过金丝连接，并通过引线接入惠斯通电路。所述非晶碳薄膜包括横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条，所述第一电极分别覆盖横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条与绝缘层接触，通过非晶碳薄膜包括横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条的设置，实现了同时对纵向压阻系数和横向压阻系数的测试，为减小传感器的体积，增大传感器的灵敏度提供依据。该微纳米梁测试芯片结构简单，且所述非晶碳薄膜集中在最大应力集中处，在测试过程中保证非晶碳薄膜的均一性，减少由于分散布置导致非晶碳压敏电阻差距过大对检测结果精度的影响。
所述每组非晶碳压敏电阻条组中包括尺寸相同且相互垂直的横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条，横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条在绝缘层的宽度方向对称设置，横向非晶碳压敏电阻条的长度方向沿着绝缘层的宽度方向，纵向非晶碳压敏电阻条的长度方向沿着绝缘层的长度方向，横向非晶碳压敏电阻条长度方向的中心线过纵向非晶碳压敏电阻条的中点，且所述横向非晶碳压敏电阻条至微纳米梁测试芯片中线的距离与纵向非晶碳压敏电阻条至微纳米梁测试芯片中线的距离相等。该设置可保证同一个尺寸的非晶碳薄膜承受相同的横向和纵向应力，减小其他方向应力对测试结果的影响，进一步提升测试结果的准确性。
绝缘层为氮化硅层和氧化硅层中的一种或两种复合结构，可有效防止电流泄露到衬底，从而忽略沿不同方向电流的影响。
所述微纳米梁测试芯片的长度为30～250mm，宽度为500～3000μm，厚度为100～500μm。微米级的微纳米梁测试芯片厚度可以增加非晶碳薄膜的应力，非晶碳薄膜初期由于制备过程中的膜基结合力导致的结果非线性，而微米厚的微纳米梁测试芯片可以减小非线性区间，同时可以增大测试芯片的灵敏度和精确度。
所述横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条长宽比均为1～50，且长为10～500um，宽为10～500um，厚度为100～500nm，具有更高的精度，可适用于航空航天等精密场所。同时，较小的非晶碳薄膜尺寸可保证非晶碳薄膜在压敏区域的均一性，尽可能将非晶碳薄膜同一尺寸的横向、纵向压敏电阻条集中布置在微纳米梁测试芯片的一侧，减少由于分散布置导致压敏电阻差距过大的影响。
位置标记的设置，可保证每次加载的外应力处于同一位置，进一步保证测试的精度和可靠性。
本发明还提供一种如上述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备方法，该方法通过将绝缘层沉积在硅片基底上，在绝缘层上制备掩膜一，并使掩膜一裸露出非晶碳薄膜的图形位置；在非晶碳薄膜的图形位置处，沉积非晶碳薄膜，并剥离掩膜一；掩膜一剥离后，在非晶碳薄膜的表面制备掩膜二，并使掩膜二裸露出第二金属电极的图形位置；在第二金属电极的图形位置处，溅射第二金属电极，并剥离掩膜二，得到组合装置；将组合装置固定在PCB板上；将第一电极固定在PCB板上；将组合装置的第二电极与第一电极键合连接，实现了检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备，该方法制备过程功耗低，制备工艺简单，对二维材料和其他纳米级厚度的碳系薄膜材料的压阻系数测试具有重要意义。可适用于不同非晶碳薄膜制备方案横纵向压阻特性测试。
附图说明
图1为本发明的一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的示意图。
图2为本发明的一种检测非晶碳压阻系数的悬臂梁测试芯片非晶碳薄膜电阻条和电机引线布置图。
图3为本发明的一种检测非晶碳压阻系数的悬臂梁测试芯片非晶碳薄膜电阻条和电机引线布置局部放大图。
图4为本发明的一种检测非晶碳压阻系数的悬臂梁测试芯片侧视图。
图5为本发明的一种检测非晶碳压阻系数的双端简支梁测试芯片非晶碳薄膜电阻条和电机引线布置图。
图6为本发明的一种检测非晶碳压阻系数的双端固支梁测试芯片非晶碳薄膜电阻条和电机引线布置图。
图7为发明的一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片工作原理图，其中，a为悬臂梁测试芯片工作原理图，b为双端简支梁测试芯片工作原理图，c为双端固支梁测试芯片工作原理图。
图8为发明的一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片制备方法流程图。
图9为不同结构纳米梁的制备过程中掩膜图，其中，a为由上至下分别为悬臂梁测试芯片、双端固支梁测试芯片和双端简支梁测试芯片的掩膜一示意图；b为由上至下分别为悬臂梁测试芯片、双端固支梁测试芯片和双端简支梁测试芯片的掩膜二示意图。
图10为本发明实施例中，不同纳米梁测试芯片的不同路径应力变化图；其中，a和b分别为当悬臂梁长度为26.3mm，宽度为7mm，厚度为0.3mm的悬臂梁在一端施加0.2N的集中力下，沿路径1与路径2方向的应力变化图。
c和d分别为本发明实施例中，当双端简支梁长度为114.4mm，宽度为7mm，厚度为0.3mm，在一端施加0.2N的集中力下，沿路径3与路径4方向的应力变化图。
e和f分别为本发明实施例中，当双端固支梁长度为207.2mm，宽度为7mm，厚度为0.3mm，在一端施加0.2N的集中力下，沿路径5与路径6方向的应力变化图。
其中，1-第二金属电极，2-非晶碳薄膜，3-金丝，4-绝缘层，5-硅质基底，6-第一金属电极，7-PCB板，8-受力位置标记，9-掩膜一，10-掩膜二，x-微纳米梁测试芯片中线。
具体实施方式
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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例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例。基于本发明中的实施例，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例，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。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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装置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”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；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。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。
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明公开了一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片，参照图1，包括PCB板7，所述PCB板7的最大应力集中处的表面设置有硅片基底5和第一金属电极6；所述硅片基底5上依次设置有绝缘层4、非晶碳薄膜2、第二金属电极1；所述第一金属电极6和第二金属电极1通过金丝3连接，并接入惠斯通电路；
所述微纳米梁测试芯片为悬臂梁测试芯片、双端简支梁测试芯片或双端固定支梁测试芯片；所述悬臂梁测试芯片远离非晶碳薄膜2的一端设置有受力位置标记8；所述双端简支梁测试芯片和双端固定支梁测试芯片的中心设置有受力位置标记8。
所述非晶碳薄膜2包括至少一组非晶碳压敏电阻条组，每组非晶碳压敏电阻条组中包括尺寸相同且相互垂直的横向非晶碳压敏电阻条21和纵向非晶碳压敏电阻条22，横向非晶碳压敏电阻条21和纵向非晶碳压敏电阻条22在绝缘层的宽度方向对称设置，横向非晶碳压敏电阻条21的长度方向沿着绝缘层的宽度方向即，纵向非晶碳压敏电阻条22的长度方向沿着绝缘层的长度方向即微纳米梁测试芯片中线X方向，横向非晶碳压敏电阻条21长度方向的中心线过纵向非晶碳压敏电阻条22的中点；所述横向非晶碳压敏电阻条21至微纳米梁测试芯片中线x的距离与纵向非晶碳压敏电阻条22至微纳米梁测试芯片中线x的距离相等；所述第二电极1分别覆盖横向非晶碳压敏电阻条21和纵向非晶碳压敏电阻条22，并且并设置于非晶碳2与绝缘层4接触表面。优选地，所述横向非晶碳压敏电阻条21和纵向非晶碳压敏电阻条22长宽比均为1～50，且长为10～500um，宽为10～500um，厚度为100～500nm。
所述绝缘层4的厚度为200～500nm，所述绝缘层4为氮化硅层、氧化硅层或者氮化硅层和氧化硅层的复合结构；当绝缘层采用氮化硅层和氧化硅层的复合结构时，氧化硅层设置于硅片基底表面，氮化硅层设置于氧化硅层表面，其中氧化硅层厚度为100～300nm，氮化硅层厚度为100～300nm。。
所述第一金属电极6和第二金属电极1的材料为Au、Cr、Ti、Cu和Ni中的一种或多种。
所述微纳米梁测试芯片的长度为30～250mm，宽度为500～3000μm，厚度为100～500μm。
参见图2至图4，微纳米梁测试芯片为悬臂梁测试芯片时，包括PCB板，所述硅片基底5和第一金属电极6设置在PCB板的端部上表面，即为悬臂梁测试芯片的固支端，。
参见图5，微纳米梁测试芯片为双端简支梁测试芯片时，沿双端简支梁测试芯片的中线两侧分别设置有一组硅片基底5和第一金属电极6；所述受力位置标记8设置在双端简支梁测试芯片的中线上，所述非晶碳薄膜2沿中线对称设置。
参见图6，微纳米梁测试芯片为双端固支梁测试芯片时，所述非晶碳薄膜2设置在双端固支梁测试芯片的固支端。
参见图7，工作原理为：当给受力位置标记8处施加集中应力F时，该微纳米梁芯片产生弯曲变形，由于非晶碳薄膜2布置在微纳米梁芯片的最大应力集中处，非晶碳薄膜2受力而产生形变，非晶碳薄膜2中载流子迁移率发生变化导致电阻率变化，最后导致非晶碳薄膜阻值发生改变。通过理论计算，结合有限元分析获得微纳米梁芯片上非晶碳薄膜2压敏电阻区域的应力变化。该悬臂梁测试芯片上非晶碳薄膜2压敏电阻区域的应力变化与所受外力之间的比例关系为：
所述双端简支梁芯片上非晶碳薄膜2压敏电阻区域的应力变化与所受外力之间的比例关系为：
所述双端固支梁芯片上非晶碳薄膜2压敏电阻区域的应力变化与所受外力之间的比例关系为：
其中，F为外部施加的集中力，L为梁长度，b为梁的宽度，h为梁的厚度，x为非晶碳压敏电阻条与微纳米梁固定端之间的距离。通过非晶碳薄膜压敏电阻区域的应力与外力之间的关系可得，微纳悬臂梁上非晶碳薄膜2位于微纳米悬臂梁测试芯片的一端，微纳米双端简支梁测试芯片上非晶碳薄膜2位于微纳双端简支梁测试芯片的中间，而微纳米双端固支梁上非晶碳薄膜位于微纳米双端固支梁测试芯片的一端。此时非晶碳薄膜所受到的应力最大。
所述微纳米梁测试芯片上非晶碳薄膜2阻值的变化与所受应力之间的比例关系为：
其中，πl为非晶碳薄膜2的纵向压阻系数，πt为非晶碳薄膜2的横向压阻系数，压阻系数用于表征压阻效应的强弱，πl纵向压阻系数定义为当应力方向与电阻中电流方向一致时单位作用下非晶碳薄膜电阻率的相对变化与纵向应力的比值，而πt横向压阻系数定义为当应力方向与电阻中电流方向垂直时单位作用下非晶碳薄膜电阻率的相对变化与横向应力的比值；R为初始电阻；ΔR为电阻变化值。σl为非晶碳薄膜2纵向应力，σt为非晶碳薄膜2的横向应力；
参见图8和图9，本发明还提供一种如上述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备方法，包括以下步骤：
S1：将绝缘层4沉积在硅片基底5上；
S2：采用光刻工艺在绝缘层4上制备掩膜一9，并使掩膜一9裸露出非晶碳薄膜2的图形位置；
S3：在非晶碳薄膜2的图形位置处，沉积非晶碳薄膜2，并剥离掩膜一9，即将载有非晶碳薄膜2的硅片基底5置于真空镀膜腔室中，采用的薄膜沉积工艺在绝缘层4表面沉积非晶碳薄膜2；
优选地，采用物理气相沉积法或化学气象沉积法在非晶碳薄膜2的图形位置处，以获得高sp3含量和压阻系数的非晶碳薄膜2，靶材为99.99％的高纯石墨靶材；所述物理气相沉积法包括直流溅射、ECR等离子体溅射等PVD工艺；所述化学气象沉积法包括PECVD沉积、离子蒸汽沉积等CVD工艺。
其中，采用ECR等离子体溅射工艺基底脉冲正偏压为0～200V，沉积时间为20～120min。
所述直流溅射工艺基底脉冲负偏压为-600～0V，反应腔室内压力为1～2mTorr，沉积温度为20～30℃，沉积时间为20～120min，并且预先对石墨靶材清洗处理5～20min。
高功率脉冲电源电压为800～1000V。所述脉冲占空比为1％～5％。
所述PECVD射频偏压为500～800V，反应腔室内压力为15～30mTorr，沉积时间为20～120min，沉积温度为20～30℃。
所述离子蒸汽沉积工艺基底脉冲负偏压为-5～-1kV，工作气压为1～15mTorr，沉积时间为100～300min，沉积温度为150～250℃。
非晶碳薄膜2通过调控磁控溅射能量密度和基底偏压调控sp2碳团簇和sp3碳团簇的含量，使得sp3占比较大，此时非晶碳膜压阻性较好。
以HiPIMS辅助磁控溅射非晶碳薄膜2的制备流程为：
采用纯度为99.99％高纯石墨靶材分别与直流磁控管系统和HiPIMS电源相连接，调整硅片基底5到靶材的距离为10cm。将真空室的基础压力抽至5.33×10-3Pa；
对衬底进行Ar+等离子体辉光蚀刻，对硅片基底5进行预清洗40min，去除表面污染物；
调整衬底偏压为0～-400V，调整HiPIMS源的占空比为10％，脉冲宽度为200μs，在溅射和薄膜沉积过程中通入流量为30～70sccm的氩气，使得工作腔室压力为0.3Pa，此时目标电流为3.0A，在2kW的溅射功率下制备非晶碳薄膜。
沉积时间为30～50min，确保非晶碳薄膜2的厚度为100～500nm。
S4：掩膜一9剥离后，采用光刻工艺在非晶碳薄膜2的表面制备掩膜二10，并使掩膜二10裸露出第二金属电极1的图形位置；
S5：在第二金属电极1的图形位置处，溅射第二金属电极1，并剥离掩膜二10，得到组合装置，即采用磁控溅射的工艺，在惰性气体氛围条件下，第二金属电极1的图形位置处，溅射第二金属电极1；
S6：将组合装置固定在PCB板7上，即将覆盖有第二金属电极1和非晶碳薄膜2的硅片基底5的一端覆盖有第二金属电极1的区域固定在PCB板上；第一金属电极1与非晶碳薄膜2压阻敏感区域间隔1～2mm，保证第二金属电极1固定在PCB板7上，处于未受力状态。
S7：将第一电极6固定在PCB板上；
S8：将组合装置的第二电极1与第一电极6键合连接，完成检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备，通过TPT半自动焊线机键合连接第二金属电极1和第一金属电极6。
参见图10，本发明实施例中，通过理论计算，结合有限元分析，路径1表示沿微纳米悬臂梁长度方向的直线，路径2表示微纳米悬臂梁上在非晶碳敏感点处沿微纳米悬臂梁宽度方向的直线；路径3表示沿微纳米双端简支梁长度方向的直线，路径4表示微纳米双端简支梁上在非晶碳敏感点处沿微纳米双端简支梁宽度方向的直线；路径5表示沿微纳米双端固支梁长度方向的直线，路径6表示微纳米双端固支梁上在非晶碳敏感点处沿微纳米双端固支梁宽度方向的直线；当微纳米悬臂梁测试芯片的长度为26.3mm，宽度为7mm，厚度为300μm时，在一端施加0.2N的集中应力条件下，沿路径1与路径2方向的应力变化图。为保证路径4的应力值与路径2的应力值大小相等，设计微纳米双端简支梁长度为112.4mm，宽度为7mm，厚度为300μm，在一端施加0.2N的集中力下，沿路径3与路径4方向的应力变化图。为保证路径6的应力值与路径2和路径4的应力值大小相等，设计微纳米双端固支梁长度为207.2mm，宽度为7mm，厚度为300μm，在一端施加0.2N的集中力下，沿路径5与路径6方向的应力变化图如图所示。经比较发现，在相同宽度和厚度梁上施加相同的力，为在同一位置处达到同一应力值，微纳米悬臂梁所需要的长度最短，而双端固支梁所需的长度最长，但是微纳米悬臂梁相比于双端固支梁与双端简支梁，所受的横向交叉干扰应力较大，因此应结合具体工况进行微纳米梁结构选择。
综上所述，本发明提供一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁芯片及其制备方法。通过将微纳米梁芯片的制备工艺与MEMS工艺融合，制备过程功耗低，制备工艺简单，引入该加工与测试方法，对测量二维材料和其他纳米级厚度的碳系薄膜材料具有重要意义，并且非晶碳薄膜横纵向压阻系数的测试对于非晶碳传感器的制备具有重要意义。制备的微纳米梁测试芯片，结构简单，非晶碳薄膜均一性好，非晶碳薄膜弹性模量和残余应力与基底适配性好，可精确检测非晶碳薄膜的纵向和横向的压阻特性。
以上所述的仅仅是本发明的较佳实施例，并不用以对本发明的技术方案进行任何限制，本领域技术人员应当理解的是，在不脱离本发明精神和原则的前提下，该技术方案还可以进行若干简单的修改和替换，这些修改和替换也均属于权利要求书所涵盖的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片，其特征在于，包括PCB板(7)，所述PCB板(7)的最大应力集中处的表面设置有硅片基底(5)和第一金属电极(6)；所述硅片基底(5)上依次设置有绝缘层(4)、非晶碳薄膜(2)和第二金属电极(1)；所述第一金属电极(6)和第二金属电极(1)通过金丝(3)连接；
所述非晶碳薄膜(2)包括横向非晶碳压敏电阻条(21)和纵向非晶碳压敏电阻条(22)，所述第一电极(1)分别覆盖横向非晶碳压敏电阻条(21)和纵向非晶碳压敏电阻条(22)与绝缘层(4)接触。
2.根据权利要求1所述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片，其特征在于，所述横向非晶碳压敏电阻条(21)与纵向非晶碳压敏电阻条(22)垂直设置，且所述横向非晶碳压敏电阻条(21)至微纳米梁测试芯片中线(x)的距离与相同尺寸的纵向非晶碳压敏电阻条(22)至微纳米梁测试芯片中线(x)的距离相等。
3.根据权利要求1所述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片，其特征在于，所述绝缘层(4)为氮化硅层和氧化硅层中的一种或两种；所述第一金属电极(6)和第二金属电极(1)的材料为Au、Cr、Ti、Cu和Ni中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片，其特征在于，所述微纳米梁测试芯片的长度为30～250mm，宽度为500～3000μm，厚度为100～500μm。
5.根据权利要求1所述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备方法，其特征在于，所述绝缘层(4)的厚度为200～500nm，所述绝缘层(4)采用氮化硅层、氧化硅层或者氮化硅层和氧化硅层的复合结构；当绝缘层(4)采用氮化硅层和氧化硅层的复合结构时，氧化硅层设置于硅片基底(5)表面，氮化硅层设置于氧化硅层表面，其中氧化硅层厚度为100～300nm，氮化硅层厚度为100～300nm。
6.根据权利要求1所述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片，其特征在于，所述横向非晶碳压敏电阻条(21)和纵向非晶碳压敏电阻条(22)长宽比均为1～50，且长为10～500um，宽为10～500um，厚度为100～500nm。
7.根据权利要求1所述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片，其特征在于，微纳米梁测试芯片为悬臂梁测试芯片、双端简支梁测试芯片或双端固定支梁测试芯片；所述悬臂梁测试芯片远离非晶碳薄膜(2)的一端设置有受力位置标记(8)；所述双端简支梁测试芯片和双端固定支梁测试芯片的中心设置有受力位置标记(8)。
8.如权利要求1-7任一项所述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将绝缘层(4)沉积在硅片基底(5)上；
在绝缘层(4)上制备掩膜一(9)，并使掩膜一(9)裸露出非晶碳薄膜(2)的图形位置；
在非晶碳薄膜(2)的图形位置处，沉积非晶碳薄膜(2)，并剥离掩膜一(9)；
掩膜一(9)剥离后，在非晶碳薄膜(2)的表面制备掩膜二(10)，并使掩膜二(10)裸露出第二金属电极(1)的图形位置；
在第二金属电极(1)的图形位置处，溅射第二金属电极(1)，并剥离掩膜二(10)，得到组合装置；
将组合装置固定在PCB板上；
将第一电极(6)固定在PCB板上；
将组合装置的第二电极(1)与第一电极(6)键合连接，完成检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备。
9.根据权利要求8所述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备方法，其特征在于，采用物理气相沉积法或化学气象沉积法在非晶碳薄膜(2)的图形位置处，沉积非晶碳薄膜(2)。
10.根据权利要求8所述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备方法，其特征在于，在非晶碳薄膜(2)的图形位置处，沉积非晶碳薄膜(2)时，靶材为99.99％的高纯石墨靶材。
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