金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性?、其制備方法與調(diào)控方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性?。該壓阻傳感元件由襯底、金屬摻雜非晶碳薄膜、金屬電極組成，金屬摻雜非晶碳薄膜位于襯底表面，金屬電極位于金屬摻雜非晶碳薄膜表面。與現(xiàn)有的壓阻傳感元件相比，該壓阻傳感元件具有較低的TCR值，并且通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)不僅能夠調(diào)控元件的GF值，而且能夠調(diào)控元件的TCR值，從而得到同時(shí)具有高GF值、低TCR值的壓阻傳感元件，實(shí)現(xiàn)壓阻傳感元件的高靈敏度、寬溫度范圍適應(yīng)性。
【專利說明】金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性?、其制備方法與調(diào)控方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于薄膜傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性?、其?備方法與調(diào)控方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前，以單晶Si，多晶Si，Ge以及硅鍺合金為代表的壓阻微機(jī)電系統(tǒng)（MEMs)得到 了廣泛的研究與應(yīng)用。但是，隨著電子信息、航空航天、海洋、生物醫(yī)藥等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的日益 發(fā)展，傳統(tǒng)的硅鍺基MEMs系統(tǒng)用的應(yīng)變和壓阻傳感器已難以滿足更苛刻的服役性能要求， 需要研究發(fā)展新型的應(yīng)變傳感材料和傳感器。
[0003] 在壓阻傳感材料中，靈敏度系數(shù)GF值以及電阻溫度系數(shù)TCR是兩個(gè)重要的參數(shù)。 其中，GF反映了壓阻材料的靈敏程度，定義為電阻變化率與形變變化率的比值；而TCR反 映了壓阻材料對(duì)溫度的靈敏程度，定義為兩個(gè)不同溫度下的電阻變化率與溫度差之間的比 值，單位為ΙΓ 1。
[0004] 單晶硅具有較高的GF值（約為100)，應(yīng)用廣泛，但其TCR值也較大，約為 1. 7X Kfppmr1，另外制備成本較高，并且具有各向異性。
[0005] 多晶Si制備成本較低，廣泛應(yīng)用于壓阻傳感器，可實(shí)現(xiàn)微型化和集成化趨勢(shì)，但 普通多晶Si的GF值均低于30,這使其靈敏度受到極大限制，并且含Η多晶Si的TCR值高 達(dá) 8X 104ppmK 工。
[0006] 類金剛石碳膜，英文名稱為Diamond like carbon,簡(jiǎn)稱為DLC，是一類非晶碳膜的 統(tǒng)稱，可以表現(xiàn)出高GF值，，但同時(shí)DLC具有很高的TCR，高達(dá)數(shù)千ρρπιΓ 1，這仍不利于DLC 在壓阻傳感中的實(shí)際應(yīng)用。
[0007] 因此，對(duì)于要求同時(shí)具有高靈敏度、寬溫度范圍適應(yīng)性，以及摩擦接觸的壓阻傳 感，傳統(tǒng)的硅鍺基壓阻MEMs系統(tǒng)以及新型純非晶碳膜難以滿足，這就要求新的壓阻材料和 壓阻元件。
[0008] 金屬摻雜DLC主要是由C的sp2共價(jià)鍵和sp3共價(jià)鍵形成的不規(guī)則空間網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)， 金屬原子（或者金屬碳化物）分布在碳網(wǎng)絡(luò)基質(zhì)中。通過調(diào)控工藝參數(shù)可以改變sp 2共價(jià) 鍵和sp3共價(jià)鍵比例以及金屬原子（或者金屬碳化物）的尺寸與分布，從而獲得具有高GF 以及低TCR的金屬摻雜DLC。這種金屬摻雜DLC可以采用離子束復(fù)合濺射沉積方法進(jìn)行制 備。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的技術(shù)目的是針對(duì)上述技術(shù)現(xiàn)狀，提供一種壓阻傳感元件，其同時(shí)具有高 靈敏度、寬溫度范圍適應(yīng)性。
[0010] 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明人通過大量實(shí)驗(yàn)探索后發(fā)現(xiàn)，在制備DLC的過程 中摻雜金屬原子或者金屬碳化物，使金屬原子或者金屬碳化物分布在主要由C的sp2共價(jià) 鍵和sp3共價(jià)鍵形成的不規(guī)則的碳空間網(wǎng)基質(zhì)結(jié)構(gòu)中時(shí)，通過調(diào)控工藝參數(shù)（包括碳源種 類、基體直流脈沖偏壓以及濺射功率等）不僅可以改變sp2共價(jià)鍵和sp3共價(jià)鍵比例，從而 獲得高GF值，而且可以通過調(diào)控?fù)诫s金屬含量，從而獲得低TCR值。
[0011] 因此，本發(fā)明人提供了一種能夠同時(shí)具有高靈敏度、寬溫度范圍適應(yīng)性的壓阻傳 感元件，具體為：一種金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性?，如圖1所示，由襯底1、金屬摻雜非晶 碳薄膜2、金屬電極3組成，金屬摻雜非晶碳薄膜2位于襯底1表面，金屬電極3位于金屬摻 雜非晶碳薄膜2表面。
[0012] 所述的金屬摻雜非晶碳薄膜是由C的金剛石相sp3和石墨相sp2雜化態(tài)以及金屬 原子或者金屬碳化物組成，并含有一定的Η原子，金屬原子或者金屬碳化物分布在主要由C 的sp2共價(jià)鍵和sp3共價(jià)鍵形成的不規(guī)則的碳空間網(wǎng)基質(zhì)結(jié)構(gòu)中。所述的摻雜金屬包括W、 Cr、Ti、Ni、Ag、Cu、A1等中的一種或幾種的組合。
[0013] 所述的襯底不限，包括PET、PI、PMMA、A1203、玻璃等。
[0014] 所述的金屬電極材料不限，包括W、Cr、Ti、Al、Ag等。
[0015] 本發(fā)明還提供了一種制備上述金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性姆椒?，包括如下?驟：
[0016] 步驟1 :將襯底置于真空腔室中，利用氬離子刻蝕襯底表面；
[0017] 步驟2 :向鍍膜腔室內(nèi)通入碳?xì)錃怏w，通過陽極層離子源離化后提供碳源，在襯底 表面沉積類金剛石碳膜，同時(shí)開啟磁控濺射源，通入Ar氣，在襯底表面濺射沉積金屬原子， 離子源電流為〇. 1A?0. 5A，磁控靶電流為1. 2A?5A，腔體內(nèi)氣體壓力為0. 2Pa?IPa，基 體直流脈沖偏壓為-50V?-400V ;所述的碳?xì)錃怏w包括C2H2、CH4、C6H 6等氣體中的一種或幾 種。
[0018] 步驟3 :將步驟2得到的表面沉積金屬摻雜非晶碳膜的襯底從鍍膜腔室中取出，在 金屬摻雜非晶碳膜表面留出待沉積電極區(qū)域，其余區(qū)域采用掩模板覆蓋，然后再次放入腔 體中，采用磁控濺射技術(shù)在待沉積區(qū)域?yàn)R射沉積金屬電極。
[0019] 作為優(yōu)選，所述的步驟3中，濺射氣體為Ar，靶電流為1?5A，腔體內(nèi)壓力為 0· 2Pa?(λ 5Pa，襯底直流脈沖偏壓為-50V?-100V。
[0020] 對(duì)上述制得的基于金屬摻雜非晶碳的壓阻傳感元件的壓阻效應(yīng)進(jìn)行研究，得到： 其電子輸運(yùn)是由非晶碳基質(zhì)中分布的金屬原子或者金屬碳化物團(tuán)簇間的跳躍機(jī)制控制，電 子輸運(yùn)受到金屬原子或者金屬碳化物團(tuán)簇之間的距離以及團(tuán)簇尺寸控制，并可能受到導(dǎo)電 sp2團(tuán)簇的影響，因而通過調(diào)控步驟2中的工藝參數(shù)，如碳源種類、基體直流脈沖偏壓以及濺 射功率等，不僅能夠改變薄膜的sp 2和sp3含量、金屬原子或者金屬碳化物團(tuán)簇的尺寸與分 布，從而對(duì)元件的GF值進(jìn)行調(diào)控；而且能夠改變薄膜中金屬元素含量，從而對(duì)元件的TCR值 進(jìn)行調(diào)控。因此，通過調(diào)控步驟2中的工藝參數(shù)，能夠得到同時(shí)具有高GF值、低TCR值的壓 阻傳感元件，實(shí)現(xiàn)壓阻傳感元件的高靈敏度、寬溫度范圍適應(yīng)性。作為優(yōu)選，通過調(diào)節(jié)步驟 2中的磁控靶電流來調(diào)節(jié)壓阻傳感元件的GF值與TCR值。
[0021] 綜上所述，本發(fā)明以金屬摻雜非晶碳膜為壓阻材料，在襯底表面設(shè)置金屬摻雜非 晶碳膜，在金屬摻雜非晶碳膜表面設(shè)置金屬電極，組成壓阻傳感元件。與現(xiàn)有的壓阻傳感元 件相比，本發(fā)明的壓阻傳感元件具有如下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)：
[0022] (1)與具有高靈敏度系數(shù)但各項(xiàng)異性的單晶硅，以及具有各項(xiàng)同性但低靈敏度系 數(shù)的多晶硅傳感元件相比，該壓阻傳感元件通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)能夠具有高靈敏度系數(shù)，其 GF值在200?600,并且非晶結(jié)構(gòu)決定了其具有各向同性，各個(gè)方向的靈敏度相同；
[0023] (2)同時(shí)，與具有高靈敏度系數(shù)但各項(xiàng)異性的單晶硅、具有各項(xiàng)同性但低靈敏度系 數(shù)的多晶硅傳感元件，以及由類金剛石碳膜材料構(gòu)成的傳感元件相比，該壓阻傳感元件具 有低的TCR值，其TCR值為190?θβΟρρπιΓ 1，能夠適用較寬溫度范圍的傳感應(yīng)用；并且，通 過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)改變其金屬元素含量，能夠進(jìn)一步調(diào)控其TCR值；
[0024] (3)該壓阻傳感元件在摩擦過程中可以轉(zhuǎn)化為層狀石墨，可以起到耐磨減摩的作 用，因而能夠適用于接觸與摩擦存在的傳感應(yīng)用；
[0025] (4)該壓阻傳感元件具有高的彈性模量與硬度等機(jī)械特性，利于MEMs系統(tǒng)的力學(xué) 穩(wěn)定性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026] 圖1是本發(fā)明金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性慕Y(jié)構(gòu)示意圖；
[0027] 圖2是本發(fā)明實(shí)施例1的壓阻傳感元件在加載卸載階段的靈敏度系數(shù)隨應(yīng)變變化 關(guān)系圖；
[0028] 圖3是本發(fā)明實(shí)施例1的壓阻傳感元件的電阻率隨溫度變化關(guān)系圖；
[0029] 圖4是本發(fā)明實(shí)施例2的壓阻傳感元件在加載卸載階段的靈敏度系數(shù)隨應(yīng)變變化 關(guān)系圖；
[0030] 圖5是本發(fā)明實(shí)施例2的壓阻傳感元件的電阻率隨溫度變化關(guān)系圖；
[0031] 圖6是本發(fā)明實(shí)施例3的壓阻傳感元件在加載卸載階段的靈敏度系數(shù)隨應(yīng)變變化 關(guān)系圖；
[0032] 圖7是本發(fā)明實(shí)施例3的壓阻傳感元件的電阻率隨溫度變化關(guān)系圖。

【具體實(shí)施方式】
[0033] 下面結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，需要指出的是，以下所述實(shí)施 例旨在便于對(duì)本發(fā)明的理解，而對(duì)其不起任何限定作用。
[0034] 圖1中的附圖標(biāo)記為：1-襯底，2-金屬摻雜非晶碳薄膜，3-金屬電極。
[0035] 實(shí)施例1 :
[0036] 本實(shí)施例中，壓阻傳感元件由PET襯底、鎢摻雜非晶碳薄膜以及金屬Cr電極組成， 鶴摻雜非晶碳薄膜位于PET襯底表面，金屬Cr電極位于鶴摻雜非晶碳薄膜表面。
[0037] 該壓阻傳感元件的制備方法包括如下步驟：
[0038] (l)PET襯底經(jīng)乙醇超聲清洗，烘干后置于真空腔體內(nèi)，預(yù)抽真空到2. 5Xl(T3Pa ; 通過陽極層離子源往鍍膜腔體里通入氬氣，使氣壓維持在0. 37Pa，在襯底上施加-100V的 直流脈沖偏壓，開啟陽極層離子源，電流為〇. 2A，利用電離氬離子刻蝕基體表面，此過程維 持5分鐘；
[0039] (2)通過陽極層離子源往鍍膜腔體里通入C2H2氣體提供碳源，同時(shí)開啟磁控濺射 源，通入Ar氣，濺射鎢靶；保持腔體氣壓在0. 6Pa，離子束電流在0. 2A，濺射靶電流為2A，基 體脈沖偏壓為-100V ;
[0040] (3)將步驟（2)得到的表面沉積鎢摻雜非晶碳薄膜的襯底從腔體中取出，在鎢摻 雜非晶碳膜表面留出2處約為的待沉積電極區(qū)域，其余區(qū)域采用掩模板覆蓋，然 后再次放入腔體中，采用磁控濺射技術(shù)在待沉積電極區(qū)域?yàn)R射沉積金屬Cr電極，濺射氣體 為Ar，靶電流為2. 5A，保持腔體氣壓在0. 3Pa，襯底直流脈沖偏壓為-100V。
[0041] 對(duì)上述制得的壓阻傳感元件進(jìn)行壓阻效應(yīng)測(cè)試，即對(duì)該壓阻傳感元件進(jìn)行拉伸， 觀察其電阻變化。采用測(cè)微拉伸裝置及半導(dǎo)體參數(shù)儀，通過測(cè)微拉伸裝置對(duì)該壓阻傳感元 件施加形變；通過半導(dǎo)體參數(shù)儀測(cè)試該壓阻傳感元件在室溫下的I-V曲線，計(jì)算出線性接 觸區(qū)的電阻值R，得到電阻變化率隨應(yīng)變變化關(guān)系，通過如下公式： R-R0 /
[0042]GF=i/
[0043] 其中，R0為初始電阻值，R為拉伸后薄膜電阻值，ε為對(duì)應(yīng)的拉伸應(yīng)變，得到圖2 所示的靈敏度系數(shù)隨應(yīng)變變化關(guān)系圖，其最大GF值約為204。
[0044] 采用四點(diǎn)法，通過綜合物理性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試上述制得的壓阻傳感元件在 300Κ?400Κ范圍的電阻率隨溫度變化關(guān)系，結(jié)果如圖3所示，通過如下公式：
[0045] TCR^ 認(rèn)-_的 τ-το
[0046] 其中，R0為初始溫度TO的電阻值，R為溫度Τ下的薄膜電阻值，得到TCR值約為 567ppmK 、
[0047] 實(shí)施例2 :
[0048] 本實(shí)施例中，壓阻傳感元件的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1完全相同。
[0049] 本實(shí)施例中，壓阻傳感元件的制備方法與實(shí)施例1中的制備方法基本相同，所不 同的是，步驟（2)中濺射靶電流為1.8A。
[0050] 對(duì)上述制得的壓阻傳感元件進(jìn)行壓阻效應(yīng)測(cè)試，即對(duì)該壓阻傳感元件進(jìn)行拉伸， 觀察其電阻變化。采用測(cè)微拉伸裝置及半導(dǎo)體參數(shù)儀，通過測(cè)微拉伸裝置對(duì)該壓阻傳感元 件施加形變；通過半導(dǎo)體參數(shù)儀測(cè)試該壓阻傳感元件在室溫下的I-V曲線，計(jì)算出線性接 觸區(qū)的電阻值R，得到電阻變化率隨應(yīng)變變化關(guān)系，通過如下公式： R-R0 / 剛 GF=i/
[0052] 其中，R0為初始電阻值，R為拉伸后薄膜電阻值，ε為對(duì)應(yīng)的拉伸應(yīng)變，得到圖4 所示的靈敏度系數(shù)隨應(yīng)變變化關(guān)系圖，其最大GF值約為565。
[0053] 采用四點(diǎn)法，通過綜合物理性能測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試上述制得的壓阻傳感元件在 300Κ?400Κ范圍的電阻率隨溫度變化關(guān)系，結(jié)果如圖5所示，通過如下公式： r n (R-R0)/R0 0054 TCR= -'丄- Τ-ΤΟ
[0055] 其中，R0為初始溫度ΤΟ的電阻值，R為溫度Τ下的薄膜電阻值，得到TCR值約為 190ppmK _1〇
[0056] 實(shí)施例3 :
[0057] 本實(shí)施例中，壓阻傳感元件由A1203襯底、鎢摻雜非晶碳薄膜以及金屬A1電極組 成，鶴摻雜非晶碳薄膜位于A1 203襯底表面，金屬A1電極位于鶴摻雜非晶碳薄膜表面。
[0058] 該壓阻傳感元件的制備方法包括如下步驟：
[0059] (1)A1A襯底經(jīng)乙醇超聲清洗，烘干后置于真空腔體內(nèi)，預(yù)抽真空至IJ 2. OX 10_3Pa ; 往鍍膜腔體里通入氬氣，使氣壓維持在IPa，在襯底上施加-50V的脈沖偏壓，利用電離氬離 子刻蝕襯底表面，此過程維持20分鐘；
[0060] (2)通過陽極層離子源往鍍膜腔體里通入C2H2氣體提供碳源，同時(shí)開啟磁控濺射 源，通入Ar氣，濺射鎢靶；保持腔體氣壓在0. 6Pa，離子束電流在0. 2A，濺射靶電流為1. 4A， 襯底脈沖偏壓為-100V ;
[0061] (3)將步驟（2)得到的表面沉積鎢摻雜非晶碳薄膜的襯底從腔體中取出，在鎢摻 雜非晶碳膜表面留出2處約為的待沉積電極區(qū)域，其余區(qū)域采用掩模板覆蓋，然 后再次放入腔體中，采用磁控濺射技術(shù)制備金屬A1電極，濺射氣體為Ar，靶電流為2A，保持 腔體氣壓在〇. 3Pa，基體直流脈沖偏壓為-100V。
[0062] 對(duì)上述制得的壓阻傳感元件進(jìn)行壓阻效應(yīng)測(cè)試，即對(duì)該壓阻傳感元件進(jìn)行拉伸， 觀察其電阻變化。采用測(cè)微拉伸裝置及半導(dǎo)體參數(shù)儀，通過測(cè)微拉伸裝置對(duì)該壓阻傳感元 件施加形變；通過半導(dǎo)體參數(shù)儀測(cè)試該壓阻傳感元件在室溫下的I-V曲線，計(jì)算出線性接 觸區(qū)的電阻值R，得到電阻變化率隨應(yīng)變變化關(guān)系，通過如下公式：
[0063]

【權(quán)利要求】
1. 一種金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性?，其特征是：由襯底、金屬摻雜非晶碳薄膜、金屬 電極組成，金屬摻雜非晶碳薄膜位于襯底表面，金屬電極位于金屬摻雜非晶碳薄膜表面。
2. 如權(quán)利要求1所述的金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性?，其特征是：所述的金屬摻雜非 晶碳?jí)鹤鑲鞲性腡CR值為190?980ΡΡΠ 1Κ-1。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性?，其特征是：所述的金屬?雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性腉F值為200?600。
4. 如權(quán)利要求1或2所述的金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性?，其特征是：所述的摻雜金 屬為W、Cr、Ti、Ni、Ag、Cu、A1中的一種或幾種的組合。
5. 如權(quán)利要求1或2所述的金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性涮卣魇牵核龅囊r底為 PET、PI、PMMA、A1203 或者玻璃。
6. 如權(quán)利要求1或2所述的金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性涮卣魇牵核龅慕饘匐?極材料為W、Cr、Ti、Al、Ag中的一種或幾種的組合。
7. 制備權(quán)利要求1或2所述的金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性姆椒?，其特征是：包?如下步驟： 步驟1 :將襯底置于真空腔室中，利用氬離子刻蝕襯底表面； 步驟2 :向鍍膜腔室內(nèi)通入碳?xì)錃怏w，通過陽極層離子源離化提供碳源，在襯底表面沉 積類金剛石碳膜，同時(shí)開啟磁控濺射源，通入Ar氣，在襯底表面濺射沉積金屬原子，離子源 電流為0. 1A?0. 5A，磁控靶電流為1. 2A?5A，腔體內(nèi)氣體壓力為0. 2Pa?IPa，基體直流 脈沖偏壓為-50V?-400V ; 步驟3 :將步驟2得到的表面沉積金屬摻雜非晶碳膜的襯底從鍍膜腔室中取出，在金屬 摻雜非晶碳膜表面留出待沉積電極區(qū)域，其余區(qū)域采用掩模板覆蓋，然后再次放入腔體中， 采用磁控濺射技術(shù)在待沉積區(qū)域?yàn)R射沉積金屬電極。
8. 如權(quán)利要求7所述的金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性闹苽浞椒?，其特征是：所述?步驟3中，濺射氣體為Ar，靶電流為1?5A，腔體內(nèi)壓力為0. 2Pa?0. 5Pa，襯底直流脈沖偏 壓為-50V ?-100V。
9. 在權(quán)利要求7所述的制備方法中調(diào)控金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性礼F值與TCR值 的方法，其特征是：通過調(diào)控步驟2中的碳源種類、基體直流脈沖偏壓以及濺射功率，調(diào)控 金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性礼F值與TCR值。
10. 在權(quán)利要求7所述的制備方法中調(diào)控金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性礼F值與TCR值 的方法，其特征是：通過調(diào)控步驟2中的磁控靶電流，調(diào)控金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性礼F 值與TCR值。
【文檔編號(hào)】C23C14/04GK104195516SQ201410424861
【公開日】2014年12月10日 申請(qǐng)日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】汪愛英, 郭鵬, 李潤(rùn)偉, 張棟, 檀洪偉, 柯培玲 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所