一种压阻传感元件及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种压阻传感元件。该压阻传感元件以类金刚石碳膜为压阻材料，由衬底、位于衬底表面的类金刚石碳膜，以及位于类金刚石碳膜表面金属电极组成。与现有的压阻传感元件相比，该元件具有高灵敏度系数GF值，同时由于非晶碳的各向同性，其在各个方向的灵敏度相同，并且可通过改变工艺参数对GF值进行调控；另外，该元件可在强酸碱环境、摩擦接触服役等特殊环境及工况下工作，因此具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于压阻传感器件
，尤其涉及。
技术介绍
目前，以单晶Si、多晶Si、Ge以及硅锗合金为代表的压阻微机电系统（MEMs)得到 了广泛的研究与应用。但是，随着电子信息、航空航天、海洋、生物医药等高技术产业的日益 发展，传统的硅锗基MEMs系统用的应变和压阻传感器已难以满足更苛刻的服役性能要求， 需要研究发展新型的应变传感材料和传感器。 在压阻传感材料中，灵敏度系数GF值定义为电阻变化率与形变变化率的比值，是 压阻材料的重要参数之一，反映了压阻材料的灵敏程度。 单晶硅具有较高的GF值（?100)，应用广泛，但是制备成本较高，并且具有各向异 性。多晶Si制备成本较低，被广泛应用于压阻传感器，可实现微型化和集成化趋势，但是普 通多晶Si的GF值均低于30,使其灵敏度受到极大限制。 另外，在特殊环境以及特殊工况下工作时，对压阻传感器的性能提出了更高的要 求。例如，在强酸碱环境中工作时，要求压阻传感器具有良好的耐酸碱性能，在摩擦接触工 况中工作时，要求压阻传感器具有良好的耐摩擦性能。 鉴于此，传统的硅锗基压阻MEMs系统已面临性能极限挑战，迫切需要开发新型的 压阻传感元件。
技术实现思路
针对上述技术现状，本专利技术旨在提供一种新型结构的压阻传感元件，其具有高灵 敏度系数GF值，并且兼具高机械性能、耐腐蚀性能等。 为了实现上述技术目的，本专利技术人经过大量实验探索研究后，以类金刚石碳膜为 压阻材料，设计了本专利技术的压阻传感元件。 类金刚石碳膜，英文名称为Diamond like carbon,简称为DLC，是一大类无定形碳 材料的统称。通常，DLC薄膜主要是由C-C之间通过sp2共价键和sp 3共价键形成的不规则 空间网状结构，具有各向同性。DLC薄膜具有许多与金刚石薄膜相似的特性，比如高硬度和 模量、低摩擦系数、高化学惰性、透光性、电绝缘性、耐腐蚀性和生物相容性，因此具有广泛 的应用前景。此外，DLC薄膜可以采用多种方法进行制备，包括离子束沉积、溅射沉积、真空 阴极电弧沉积、脉冲激光沉积、等离子体浸没离子注入沉积、直接光化学气相沉积、等离子 体增强化学气相沉积、电化学液相沉积、聚合物热解法等。其中，离子束和磁控溅射等PVD 技术具有低温大面积沉积的优点。 即，本专利技术采用的技术方案为：一种压阻传感元件，如图1所示，由衬底、类金刚石 碳膜、金属电极组成，类金刚石碳膜位于衬底表面，金属电极位于类金刚石碳膜表面。 所述的类金刚石碳膜是由碳的金刚石相SP3和石墨相sp2杂化态混合形成的无定 形材料，具有各向同性。 所述的衬底不限，包括PET、PI、PMMA、A1203、玻璃等。 所述的金属电极材料不限，包括W、Cr、Ti、Al、Ag等。 所述的类金刚石碳膜的厚度不限，作为优选，厚度为200?700nm。 本专利技术还提供了一种制备上述压阻传感元件的方法，包括如下步骤： 步骤1 :将衬底置于真空腔室中，利用氩离子刻蚀衬底表面； 步骤2 :向镀膜腔室内通入碳氢气体，通过阳极层离子源离化后在衬底表面沉积 类金刚石碳膜，离子源电流为〇. 1A?0. 5A，腔体内气体压力为0. 2Pa?IPa，衬底直流脉冲 偏压为-50V?-400V ; 步骤3 :将步骤2得到的表面沉积类金刚石碳膜的衬底从镀膜腔室中取出，在类金 刚石碳膜表面留出待沉积电极区域，其余的区域采用掩模板覆盖，然后再次放入腔体中，采 用磁控溅射技术在待沉积区域溅射沉积金属电极；溅射气体为Ar，溅射靶电流为1?5A，腔 体内压力为〇· 2Pa?0· 5Pa，衬底直流脉冲偏压为-50V?-100V。 所述的步骤2中，碳氢气体包括C2H2、CH4、C 6H6等气体中的一种或几种。 所述的步骤3中，金属电极材料包括W、Cr、Ti、Al、Ag等。 综上所述，本专利技术以类金刚石碳膜为压阻材料，在衬底表面设置类金刚石碳膜，在 类金刚石碳膜表面设置金属电极，组成压阻传感元件。与现有的压阻传感元件相比，本专利技术 的压阻传感元件具有如下技术优点： (1)与具有高灵敏度系数但是各项异性的单晶硅，以及各项同性但是灵敏度系数 较低的多晶硅传感元件相比，该基于非晶碳的压阻传感元件具有高灵敏度系数，并且其非 晶结构决定了该压阻传感元件具有各向同性，在各个方向的灵敏度相同； (2)该压阻传感元件的非晶碳膜在摩擦过程中可以转化为层状石墨，可以起到耐 磨减摩的作用，因而该元件能够适用于接触与摩擦存在的传感应用； (3)该压阻传感元件具有极好的化学惰性，可以适用于强酸性以及碱性等腐蚀服 役环境； (4)该压阻传感元件具有高的弹性模量与硬度等机械特性，利于MEMs系统的力学 稳定性； (5)该压阻传感元件以类金刚石碳膜为压阻材料，其电子输运是由非晶碳的跳跃 机制控制，电子输运受到sp 3网络结构中导电sp2团簇石墨相之间的距离以及sp2团簇的大 小控制，因而通过调控实验参数，例如碳源种类和衬底偏压等，能够改变非晶碳膜的sp 2和 sp3含量，以及sp2团簇尺寸，从而能够对元件的GF值进行调控。 【附图说明】 图1是本专利技术压阻传感元件的结构示意图； 图2是本专利技术实施例1中压阻传感元件的电阻变化率随形变的变化关系图； 图3是本专利技术实施例2中压阻传感元件的电阻变化率随形变的变化关系图。 【具体实施方式】 下面结合附图实施例对本专利技术作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施 例旨在便于对本专利技术的理解，而对其不起任何限定作用。 图1中的附图标记为：1-衬底，2-非晶碳膜，3-金属电极。 实施例1 : 本实施例中，压阻传感元件结构如图1所示，由PET衬底1、非晶碳膜2、金属电极 3组成，类金刚石碳膜2位于衬底1表面，金属电极3位于类金刚石碳膜2表面。 该压阻传感元件的制备方法包括如下步骤： (l)PET衬底经乙醇超声清洗，烘干后置于真空腔体内，预抽真空到2. 5Xl(T3Pa ; 通过阳极层离子源往腔体里通入氩气，使气压维持在0. 37Pa，在衬底上施加-100V的直流 脉冲偏压，开启阳极层离子源，电流为〇. 2A，利用电离氩离子刻蚀衬底表面，此过程维持5 分钟； (2)通过阳极层离子源往腔体通入C2H2气体沉积非晶碳膜，保持腔体气压在 0. 23Pa，电流在0. 2A，衬底脉冲偏压为-150V ; (3)将步骤（2)得到的表面沉积非晶碳膜的衬底从腔体中取出，在非晶碳膜表面 留出2处约为的待沉积电极区域，其余区域采用掩模板覆盖，然后再次放入腔体 中，采用磁控溅射技术在待沉积电极区域溅射沉积金属Cr电极，溅射气体为Ar，靶电流为 2. 5A，保持腔体气压在0. 3Pa，衬底直流脉冲偏压为-100V。 上述制得的压阻传感元件进行压阻效应测试，即对该压阻传感元件进行拉伸，观 察其电阻变化。采用测微拉伸装置及半导体参数仪，通过测微拉伸装置对该压阻传感元件 施加形变；通过半导体参数仪测试该压阻传感元件在室温下的I-V曲线，计算出线性接触 区的电阻值R ;得到图2所示的电阻变化率随形变变化率的变化关系图，通过如下公式： 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压阻传感元件，其特征是：由衬底、类金刚石碳膜、金属电极组成，类金刚石碳膜位于衬底表面，金属电极位于类金刚石碳膜表面。

【技术特征摘要】
1. 一种压阻传感元件，其特征是：由衬底、类金刚石碳膜、金属电极组成，类金刚石碳 膜位于衬底表面，金属电极位于类金刚石碳膜表面。2. 如权利要求1所述的压阻传感元件，其特征是：所述的衬底为PET、PI、PMMA、A1203、 玻璃中的一种。3. 如权利要求1所述的压阻传感元件，其特征是：所述的金属电极材料为W、Cr、Ti、Al、 Ag中的一种金属或者几种的合金。4. 如权利要求1所述的压阻传感元件，其特征是：所述的类金刚石碳膜的厚度为 200 ?700nm〇5. 制备权利要求1至4中任一权利要求所述的压阻传感元件的方法，其特征是：包括 如下步骤： 步骤1 :将衬底置于真空腔室中，利用氩离子刻蚀衬底表面； 步骤2 :向镀膜腔室内通入...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪爱英，郭鹏，李润伟，张栋，杨华礼，柯培玲，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33