复合绝缘层结构及其制备方法和薄膜传感器及其应用技术

本申请涉及薄膜传感器技术领域，特别是涉及一种复合绝缘层结构及其制备方法和薄膜传感器及其应用。用于解决相关技术中绝缘层薄膜内部容易产生气孔和裂纹，从而不利于后续导电敏感图案层制备的问题。一种复合绝缘层结构，包括：层叠的基底层和绝缘层，以及设置于基底层和绝缘层之间的缓冲层；其中，缓冲层由多个拼接块拼接而成；在多个拼接块中，相邻的两个拼接块的热膨胀系数不同，每个拼接块的材料包括：氮化钛、氮化硅、氧化铝、氧化硅、YSZ、钛、镍和铬中的一种或多种。和铬中的一种或多种。和铬中的一种或多种。

【技术实现步骤摘要】
复合绝缘层结构及其制备方法和薄膜传感器及其应用


[0001]本申请涉及薄膜传感器
，特别是涉及一种复合绝缘层结构及其制备方法和薄膜传感器及其应用。

技术介绍

[0002]随着工业物联网及智能制造的产业推进与升级，制造与使用服役过程中的实时监控已经变得越来越重要。
[0003]薄膜传感器由于具有结构尺寸小、功率低、集成化程度高、适用于恶劣环境如高温高压、强气流环境中的应变温度测量等的优势，使得其作为航空发动机内部的涡轮叶片，以及使得其在高铁车轴等领域均得到了广泛应用。在应用时，不仅能够通过薄膜传感器获取目标在制造过程中关键工艺参数，并以此来改进产品质量、提升生产效率，还可以在服役过程中提前发现零部件、设备系统发生的过载、裂纹、磨损等问题并及时进行干预，从而可以避免事故的发生。
[0004]薄膜传感器通过多层复合膜的形式与待测物表面进行一体化集成，其结构主要包括基底层、绝缘层薄膜、导电敏感图案层以及保护层，尤其是当基底层是金属或导电体时，绝缘层薄膜的性能显得尤其重要。在相关技术中，绝缘层薄膜一般通过溅射沉积、反应生长或电子束蒸发等工艺进行制备，这些工艺都会在绝缘层薄膜内部产生较大的气孔和缺陷，另外，绝缘层薄膜经退火引起的应力释放、绝缘层薄膜之间以及绝缘层薄膜和基底层的热膨胀系数的差异，均可能引起绝缘层薄膜内部产生裂纹，甚至从基底层表面脱落等的问题。如此，后续在导电敏感图案层在绝缘层薄膜表面形成后，由于绝缘层薄膜内部存在的气孔和裂纹等问题，容易导致导电敏感图案层与导电基底层发生短路，从而造成薄膜传感器失效。

技术实现思路

[0005]基于此，本申请提供一种复合绝缘层结构及其制备方法和薄膜传感器及其应用，以解决相关技术中绝缘层薄膜内部容易产生气孔和裂纹，从而不利于后续导电敏感图案层制备的问题。
[0006]第一方面，提供了一种复合绝缘层结构，包括：层叠的基底层和绝缘层，以及设置于基底层和绝缘层之间的缓冲层；其中，缓冲层由多个拼接块拼接而成；在多个拼接块中，相邻的两个拼接块的热膨胀系数不同，每个拼接块的材料包括：氮化钛、氮化硅、氧化铝、氧化硅、YSZ、钛、镍和铬中的一种或多种。
[0007]可选地，相邻的两个拼接块之间的间隙根据相邻的两个拼接块之间的热膨胀系数差异进行确定；可选地，间隙的尺寸为0~200μm。
[0008]可选地，多个拼接块包括：多个第一图案块和多个第二图案块；
缓冲层由多个第一图案块和多个第二图案块交替拼接而成，第一图案块和第二图案块的热膨胀系数不同。
[0009]可选地，第一图案块和第二图案块的形状相同或不同，分别独立地为三角形、圆形、环形、矩形、多边形、条形或异形图案。
[0010]可选地，第一图案块为沿第一方向延伸的条形；多个第一图案块和多个第二图案块沿第二方向交替排列，且多个第一图案块和多个第二图案块在基底层上的拼接图形的外形轮廓与基底层的边沿重叠；可选地，第一图案块和第二图案块沿第二方向的尺寸均不超过基底层在第二方向上的尺寸的十分之一。
[0011]可选地，第一图案块的形状为矩形或直角三角形，且多个第一图案块在基底层上呈阵列形式排布；多个第一图案块和多个第二图案块沿行列方向均交替排列，且多个第一图案块和多个第二图案块拼接成矩形，矩形的边沿与基底层的边沿重叠；可选地，第一图案块和第二图案块在行方向上的尺寸均不超过基底层在行方向上的尺寸的十分之一，第一图案块和第二图案块在列方向上的尺寸均不超过基底层在列方向上的尺寸的十分之一。
[0012]可选地，第一图案块的形状为圆环形，且多个第一图案块在基底层上均以基底层的中心为圆心依次沿圆环形的径向间隔排列；多个第二图案块和多个第一图案块在基底层上的拼接图形的外形轮廓与基底层的边沿重叠；可选地，第一图案块和第二图案块在径向方向上的尺寸均不超过基底层在径向方向上的尺寸的十分之一。
[0013]可选地，缓冲层的厚度为200nm~400nm；和/或，基底层为金属基底层。
[0014]可选地，绝缘层包括单层或多层结构；其中，单层结构的材料包括氮化硅、氧化铝、氧化硅、YSZ中的一种或多种；多层结构中，每层结构的材料分别独立地选自氮化硅、氧化铝、氧化硅、YSZ中的一种或多种。
[0015]第二方面，提供一种复合绝缘层结构的制备方法，包括：在基底层上形成缓冲层，缓冲层由多个拼接块拼接而成；其中，在多个拼接块中，相邻的两个拼接块的热膨胀系数不同，每个拼接块的材料包括：氮化硅、氧化铝、氧化硅和YSZ中的一种或多种；在形成有缓冲层的基底层上形成绝缘层。
[0016]可选地，多个拼接块包括：多个第一图案块和多个第二图案块；在基底层上形成缓冲层，包括：采用掩膜板遮挡或者光刻工艺制备多个第一图案块和多个第二图案块，使得缓冲层由多个第一图案块和多个第二图案块交替拼接而成，其中，第一图案块和第二图案块的热膨胀系数不同。
[0017]可选地，通过磁控溅射工艺沉积多个第一图案块和多个第二图案块；其中，磁控溅射采用直流电源进行溅射，直流电源的功率为80~120W，溅射时间为4~12h，且在磁控溅射过程中，每溅射第一预设时间后对腔体降温第二预设时间后继续进行
溅射；其中，第一预设时间为1~4h，第二预设时间为4~8h。
[0018]可选地，在磁控溅射完成后，在形成有缓冲层的基底层上形成绝缘层之前，该方法还包括：在惰性气体氛围中对多个第一图案块和多个第二图案块进行退火处理；其中，退火处理的温度为300~500℃，时间为1~2h。
[0019]第三方面，提供一种薄膜传感器，包括：如第一方面所述的复合绝缘层结构，或如第二方面所述的方法制备的复合绝缘层结构。
[0020]第四方面，提供一种如第三方面所述的薄膜传感器在耐压工件传感中的应用。
[0021]在本申请提供的复合绝缘层结构及其制备方法和薄膜传感器及其应用中，通过在基底层和绝缘层之间设置缓冲层，由于缓冲层由多个拼接块拼接而成，相邻的两个拼接块的热膨胀系数不同，因此，该缓冲层可以看作是一个个分块铺设的结构，而非整层覆盖的结构，与相关技术中采用整层覆盖的结构相比，能够将缓冲层的应力均匀或平均地分布在每一个小块内，从而可以减少大面积薄膜存在的较大的应力较为集中的现象，进而可以降低缓冲层的内应力，并同时能够减小缓冲层的内应力与缓冲层和基底层之间的结合力之间的差距，从而可以减小缓冲层的开裂范围，避免缓冲层和上层绝缘层整体从基底层上脱落。
[0022]另外，通过将缓冲层分块设置，由于相邻的两个拼接块的热膨胀系数不同，因此，还可以对根据相邻的两个拼接块的热膨胀系数的差异在相邻的两个拼接块之间形成间隙或者直接接触，如此，能够对相邻的两个拼接块由于热膨胀系数的差异所带来的微形变留出空间，从而可以在该缓冲层上层的绝缘层在受到外力作用，或高温高压下当绝缘层受到来自平行于基底层表面的切应力时，拼接块的界面处的微间隙能够提供用于抵抗切应力时产生的微形变，从而可以对上述产生的切应力进行缓冲，进一步减少缓冲层和上部绝缘层从基底层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种薄膜传感器用复合绝缘层结构，其特征在于，包括：层叠的基底层和绝缘层，以及设置于所述基底层和所述绝缘层之间的缓冲层；其中，所述缓冲层由多个拼接块拼接而成；在多个所述拼接块中，相邻的两个所述拼接块的热膨胀系数不同，每个所述拼接块的材料包括：氮化钛、氮化硅、氧化铝、氧化硅、YSZ、钛、镍和铬中的一种或多种。2.根据权利要求1所述的复合绝缘层结构，其特征在于，相邻的两个所述拼接块之间的间隙根据所述相邻的两个拼接块之间的热膨胀系数差异进行确定；可选地，所述间隙的尺寸为0~200μm。3.根据权利要求1或2所述的复合绝缘层结构，其特征在于，多个所述拼接块包括：多个第一图案块和多个第二图案块；所述缓冲层由多个所述第一图案块和多个所述第二图案块交替拼接而成，所述第一图案块和所述第二图案块的材料的热膨胀系数不同。4.根据权利要求3所述的复合绝缘层结构，其特征在于，所述第一图案块和所述第二图案块的形状相同或不同，分别独立地为三角形、圆形、环形、矩形、多边形、条形或异形图案。5.根据权利要求4所述的复合绝缘层结构，其特征在于，所述第一图案块为沿第一方向延伸的条形；多个所述第一图案块和多个所述第二图案块沿第二方向交替排列，且多个所述第一图案块和多个所述第二图案块在所述基底层上的拼接图形的外形轮廓与所述基体层的边沿重叠，其中，所述第一方向和所述第二方向垂直；可选地，所述第一图案块和所述第二图案块沿第二方向的尺寸均不超过所述基底层在第二方向上的尺寸的十分之一。6.根据权利要求4所述的复合绝缘层结构，其特征在于，所述第一图案块的形状为矩形或直角三角形，且多个所述第一图案块在所述基底层上呈阵列形式排布；多个所述第一图案块和多个所述第二图案块沿行列方向均交替排列，且多个所述第一图案块和多个所述第二图案块拼接成矩形，所述矩形的边沿与所述基底层的边沿重叠；可选地，所述第一图案块和所述第二图案块在行方向上的尺寸均不超过所述基底层在所述行方向上的尺寸的十分之一，所述第一图案块和所述第二图案块在列方向上的尺寸均不超过所述基底层在所述列方向上的尺寸的十分之一。7.根据权利要求4所述的复合绝缘层结构，其特征在于，所述第一图案块的形状为圆环形，且多个所述第一图案块在所述基底层上均以所述基底层的中心为圆心依次沿所述圆环形的径向间隔排列；多个所述第二图案块和多个所述第一图案块在所述基底层上的拼接图形的外...

【专利技术属性】
技术研发人员：李学瑞，李炯利，于公奇，程骋，王刚，罗圭纳，王旭东，
申请(专利权)人：北京石墨烯技术研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：