CN204632810U - 一种用于面内应变传感的各向异性薄膜 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于面内应变传感的各向异性薄膜，所述薄膜包括在高分子柔性衬底上制备的底电极层、各向异性薄膜层和顶电极层；所述各向异性薄膜层的厚度为100nm至2μm之间；各向异性薄膜层面积为0.01mm²至150mm²之间；所述顶电极层和底电极层的厚度均为100至200纳米。本实用新型以材料压电压阻传感原理代替欧姆定律，平面内布置的电极变为上下布置，利于传感单元的高密度集成；灵敏度明显优于目前的商用金属薄膜应变片。

Description

一种用于面内应变传感的各向异性薄膜

技术领域

本实用新型涉及应变传感器件、应变开关器件中的传感薄膜材料及其制备技术领域，尤其是涉及一种电阻各向异性薄膜及其制备方法。

背景技术

应变传感技术被广泛的应用于工程和科研领域，如工程结构分析、材料力学等。其中贴片式应变传感，即应变片的应用最为广泛。应变片是利用金属薄膜的欧姆定律制成的，其特点是灵活度高，精度好。但缺点是金属薄膜需有一定的长度来满足器件电阻的需求，一般应变片的几何尺寸在毫米级，而且其电极引线布置与传感材料本身在同一个平面，这两方面原因导致其空间分辨率有限，测量精度也相对有限，难以进行高分辨率的阵列化集成使用。常用的应变片灵敏度：Gauge Factor＝2。

利用半导体材料的压阻效应或者压电半导体材料中压电电荷对电极接触电阻的调控效应可以获得较高的应变传感灵敏度。研究表明其应变灵敏度：Gauge Factor一般能达到几百甚至上千的量级，远远高于应变片。而且该类材料用于传感时的几何尺寸通常较小，一般几微米至几百微米尺度即可满足应变传感的需求。

随着大型结构设备从基于强度的设计制造向基于失效模式、基于风险的设计制造理念的转变，应变测量数据的采集和积累，尤其是应变场数据测量需求的增加，促进了高分辨率、高灵敏度应变传感器的发展。

发明内容

本实用新型的技术目的是针对上述现有技术的不足以及应变测量需求，提供一种用于面内应变传感的各向异性薄膜，利用该薄膜可实现面内应变的高灵敏精度及高空间分辨率的传感。

本实用新型提供一种用于面内应变传感的各向异性薄膜，所述薄膜包括在高分子柔性衬底上制备的底电极层、各向异性薄膜层和顶电极层，测量时，电流沿顶电极层和底电极层从各向异性薄膜层厚度方向流过，实现对平行于各向异性薄膜层方向的变形进行测量。

所述的各向异性薄膜层为一层带有压阻特性的半导体薄膜或为压电半导体薄膜，为n型半导体或者是p型半导体。对于压电半导体薄膜，同时具有压电和半导体特性，压电半导体薄膜的厚度方向为压电系数最高的方向。

所述的各向异性薄膜层具有典型的紧密排列柱状晶结构。晶界排列的一致取向性使得各 向异性薄膜层在沿晶界方向的电阻率较小而垂直晶界方向的电阻率很大，即在各向异性薄膜层平面内具有超高的电阻率甚至绝缘，在各向异性薄膜层厚度方向电阻率较小，实现薄膜电阻率各向异性的特征。

所述各向异性薄膜层的厚度为100nm至2μm之间；各向异性薄膜层面积为0.01mm²至150mm²之间。

所述顶电极层和底电极层的导电材料可选择金、铂、氧化铟锡等材料，厚度均为100至200纳米，电阻控制在1kΩ以下。

本实用新型的优点在于：

(1)以材料压电压阻传感原理代替欧姆定律，平面内布置的电极变为上下布置，利于传感单元的高密度集成；

(2)灵敏度明显优于目前的商用金属薄膜应变片；

(3)微加工工艺简单。

附图说明

图1为本实用新型中采用射频磁控溅射法制备用于面内应变传感的各向异性薄膜的过程示意图；

图2为本实用新型中实施例中将各向异性薄膜用于应变传感的结构示例图；

图3为本实用新型中实施例中各向异性薄膜的电流应变响应曲线。

图中：

1-高分子柔性衬底层；  2-底电极层；  3-各向异性薄膜层；  4-顶电极层。

具体实施方式

以下结合附图和优选的实施例对本实用新型作进一步详细说明：

本实施例中为方便测量各向异性薄膜的应变传感的力电耦合性能，在薄膜上下表面各增加了电极制备的工艺步骤。

本实施例中，采用聚酰亚胺或者聚对苯二甲酸乙二醇酯作为高分子柔性衬底材料，其中聚酰亚胺的耐受温度上限为300℃、聚对苯二甲酸乙二醇酯的耐受温度上限为180℃。

将高分子柔性衬底材料依次使用去离子水、无水乙醇、丙酮、异丙醇进行超声波清洗，每种溶液清洗时间约15min。随后将高分子柔性衬底置于鼓风干燥箱中在60℃干燥空气下烘干。

本实用新型提供的用于面内应变传感的各向异性薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：如图1所示，将清洗干燥后的高分子柔性衬底放置在磁控溅射真空室的样品托盘上。使用真空胶带将高分子柔性衬底的边角黏贴于托盘上，以固定高分子柔性衬底。关闭真空室并抽真空至本底真空10^-4Pa。开启托盘转盘，开启加热器对高分子柔性衬底加热，温 度达到150℃后，保持温度至少10min。

步骤2：向真空室中通入氩气，开启射频电源，调整功率至100W，使用氩气等离子体对高分子柔性衬底表面进行轰击清洗5min后关闭电源，停止通入氩气；向真空室中通入氧气，开启射频电源，调整功率至100W，使用氧气等离子体对高分子柔性衬底表面进行轰击清洗5min后关闭电源，停止通入氧气。

步骤3：采用射频磁控溅射方法在高分子柔性衬底上溅射低电阻率导电材料作为底电极层，导电材料可选择金、铂、氧化铟锡等材料。底电极层的厚度控制在100至200纳米，电阻控制在1kΩ以下。厚度控制可通过提高溅射功率和延长溅射时间来实现，电阻控制可通过控制通入的氧气量和调整基板温度来实现。

步骤4：采用射频磁控溅射方法在底电极层表面溅射各向异性薄膜层，本实施例中选用氧化锌压电半导体材料。溅射过程为：选用高纯度氧化锌材料作为溅射靶材，向真空室中通入氩气、氧气混合气体(通入比例：9:1，总气压：0.5Pa)，开启射频电源，调整功率至100W，开始氧化锌薄膜的溅射的连续生长，生长过程中始终保持气体通入比例、气压和功率的持续和恒定。当溅射生长的氧化锌薄膜厚度达到1μm至2μm后关闭电源，停止通入气体。得到各向异性氧化锌薄膜层。

步骤5：采用射频磁控溅射方法在各向异性氧化锌薄膜层上溅射低电阻率导电材料作为顶电极层，导电材料可选择金、铂、氧化铟锡等材料。顶电极层的厚度控制在100至200纳米，电阻控制在1kΩ以下。

图2为本实用新型实施例中制得的带有底电极和顶电极的各向异性薄膜的结构示意图，所述的各向异性薄膜结构，包括在高分子柔性衬底层1上依次制备的底电极层2、各向异性薄膜层3和顶电极层4。所述的顶电极层4和底电极层2采用相同的导电材料，所述的各向异性薄膜层3具有典型的紧密排列柱状晶结构。各向异性薄膜层3厚度为100nm至2μm之间。所述的各向异性薄膜层3的面积可以制备到0.01mm²至150mm²之间；所述顶电极层4和底电极层1的厚度均为100至200纳米，电阻控制在1kΩ以下。

图3为对各向异性薄膜的顶电极和底电极施加固定电压后，测量得到的通过底电极和顶电极的电流随应变的响应曲线。可以看出，该各向异性薄膜层对应变的响应灵敏度Gauge Factor可达到100以上，明显高于金属应变片(Gauge Factor一般为2)。

本实用新型提供的用于面内应变传感的各向异性膜具有压阻特性或同时具备压电和半导体特性，而且其电阻率在厚度和薄膜面内具有各向异性特性。该薄膜利用泊松比可将平面内的变形转变为离面变形，测量该离面变形所引起的薄膜表观电阻变化即可实现对平面内的应变传感。该薄膜改变了应变传感薄膜平面内布置电极的传统结构，将电极布置于薄膜上下形成三维立体的结构，从而实现减小器件尺寸，提高空间分辨率的目的。该薄膜的电阻率各向 异性特性，使得利用该薄膜进行阵列化应变测量成为可能。较大的面内电阻率避免了相邻传感单元之间的串扰问题，适中的离面电阻率便于应变传感过程中电流的精确测量。

Claims (5)

1.一种用于面内应变传感的各向异性薄膜，其特征在于：所述薄膜包括在高分子柔性衬底上制备的底电极层、各向异性薄膜层和顶电极层。

2.根据权利要求1所述的一种用于面内应变传感的各向异性薄膜，其特征在于：所述各向异性薄膜层的厚度为100nm至2μm之间；各向异性薄膜层面积为0.01mm²至150mm²之间；所述顶电极层和底电极层的厚度均为100至200纳米，电阻控制在1kΩ以下。

3.根据权利要求1所述的一种用于面内应变传感的各向异性薄膜，其特征在于：所述的各向异性薄膜层为一层带有压阻特性的半导体薄膜或为压电半导体薄膜，为n型半导体或者是p型半导体；对于压电半导体薄膜，同时具有压电和半导体特性，压电半导体薄膜的厚度方向为压电系数最高的方向；所述的各向异性薄膜层具有柱状晶结构；晶界排列的一致取向性使得各向异性薄膜层实现薄膜电阻率各向异性的特征。

4.根据权利要求1所述的一种用于面内应变传感的各向异性薄膜，其特征在于：所述顶电极层和底电极层的导电材料选择金、铂或氧化铟锡。

5.根据权利要求1所述的一种用于面内应变传感的各向异性薄膜，其特征在于：高分子柔性衬底材料采用聚酰亚胺或者聚对苯二甲酸乙二醇酯。