本發(fā)明主要涉及壓力測量技術(shù)領(lǐng)域，特指一種壓力傳感器芯體及其制備方法。

背景技術(shù)：

目前市場上主流的高溫壓力傳感器芯體以SOI高溫壓力傳感器、SOS高溫壓力傳感器和NiCr金屬薄膜高溫壓力傳感器等為主，該類型壓阻型壓力傳感器芯體均以惠斯通電橋為基礎(chǔ)，通過硅材料和NiCr金屬薄膜的壓阻效應(yīng)，實現(xiàn)傳感器芯體對環(huán)境壓力的測量。硅材料和NiCr金屬薄膜等材料在壓力作用下發(fā)生形變導(dǎo)致電阻值發(fā)生變化，由于各電橋間的材料溫度系數(shù)存在微小的差別，再加上其壓阻系數(shù)的溫度系數(shù)也存在差別，造成一定的溫漂值，在-55℃-150℃的典型溫區(qū)內(nèi)，其溫漂普遍在0.03%FS/℃-0.10 %FS/℃，且工作溫區(qū)越寬，溫漂越大，從而影響傳感器的精度。另外現(xiàn)有的高溫壓力傳感器芯體由于采用惠斯通電橋結(jié)構(gòu)，因此芯體尺寸較大，目前的主流硅基高溫壓力傳感器芯體尺寸普遍在1.5mm×1.5mm至4mm×4mm之間，而金屬濺射薄膜材料基的高溫壓力傳感器由于基底材料采用的導(dǎo)電的不銹鋼杯，為了實現(xiàn)良好的絕緣性能，芯體尺寸更大，主流產(chǎn)品直徑在15微米左右。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題就在于：針對現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種結(jié)構(gòu)簡單、溫漂小以及體積小的壓力傳感器芯體，并相應(yīng)提供一種操作簡便的制備方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：

一種壓力傳感器芯體，包括基片、下電極層、介質(zhì)層和上電極層，所述下電極層位于所述基片上，所述介質(zhì)層位于所述下電極層和上電極層之間，所述上電極層與下電極層之間的介質(zhì)層中設(shè)有原子開關(guān)；所述原子開關(guān)形成的過程為：在所述上電極層和下電極層之間施加一個正向脈沖電壓，使上電極層上的金屬原子發(fā)生化學(xué)氧化反應(yīng)形成金屬離子，所述金屬離子經(jīng)所述介質(zhì)層到達(dá)下電極層，得到電子后再發(fā)生電化學(xué)還原現(xiàn)象，還原成金屬原子，并逐漸堆積在下電極層上，形成一條導(dǎo)通上電極層和下電極層的納米細(xì)絲；在所述上電極層和下電極層之間施加一個反向脈沖電壓，使所述納米細(xì)絲發(fā)生電化學(xué)溶解而斷開，形成原子開關(guān)。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進：

所述上電極層上設(shè)置有電極保護層。

所述介質(zhì)層為金屬氧化物或硫化物薄膜。

所述介質(zhì)層材料為NiO或TiO2或CuOx或SiO2或ZrO2或Fe2O3或ZnO或ZnS。

所述下電極層材質(zhì)為惰性金屬。

所述上電極層材質(zhì)為Cu或Ag。

本發(fā)明還公開了一種如上所述的壓力傳感器芯體的制備方法，步驟為：

S01、開始，清洗基片；

S02、在所述基片表面制備下電極層；

S03、在所述下電極層上制備介質(zhì)層；

S04、在所述介質(zhì)層上制備上電極層；

S05、在所述上電極層和下電極層之間施加一個正向脈沖電壓，使上電極層上的金屬原子發(fā)生化學(xué)氧化反應(yīng)形成金屬離子，所述金屬離子經(jīng)所述介質(zhì)層到達(dá)下電極層，得到電子后再發(fā)生電化學(xué)還原現(xiàn)象，還原成金屬原子，并逐漸堆積在下電極層上，形成一條導(dǎo)通上電極層和下電極層的納米細(xì)絲；

S06、在所述上電極層和下電極層之間施加一個反向脈沖電壓，使所述納米細(xì)絲發(fā)生電化學(xué)溶解而斷開，形成原子開關(guān)，制備完成。

作為上述技術(shù)方案的進一步改進：

在步驟S04中，在所述上電極層上再制備電極保護層。

所述正向脈沖電壓大于5V，持續(xù)時間在1ms以上；所述反向脈沖電壓范圍為0.5V～2V，持續(xù)時間在1ms以上。

在步驟S02和步驟S04中，制備上電極層和下電極層的方法為磁控濺射、離子束濺射或脈沖激光沉積；在步驟S03中，制備介質(zhì)層的方法為磁控濺射、離子束濺射、脈沖激光沉積、熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于：

本發(fā)明的壓力傳感器芯體，在上電極層和下電極層之間的介質(zhì)層中形成原子開關(guān)，在環(huán)境壓力下，該原子開關(guān)會隨著壓力的增大，開關(guān)間距越來越小，直到閉合導(dǎo)通；同時，原子開關(guān)的間距越小，正負(fù)電極間的電阻值也就相應(yīng)減小，直到開關(guān)閉合導(dǎo)通后，電阻值會發(fā)生幾個數(shù)量級的突變，達(dá)到最小值并保持不變；壓力釋放后，原子開光又能迅速恢復(fù)打開狀態(tài)；在原子開關(guān)閉合的情況下，上電極層和下電極層間的電阻相當(dāng)于一個由納米金屬細(xì)絲形成的很小電阻和一個由介質(zhì)層形成的很大電阻的串聯(lián)，由于介質(zhì)層的電阻率特別大，因此金屬細(xì)絲的電阻對總電阻的影響極小；當(dāng)外界環(huán)境壓力值發(fā)生變化時，這種原子開關(guān)的原子層間隙會發(fā)生變化，導(dǎo)致電極間的電阻值發(fā)生明顯變化；由于金屬氧化物或硫化物等介質(zhì)層材料的電阻率非常大，導(dǎo)致由原子層間隙的改變引起的電阻值變化也特別大，因此納米級別的介質(zhì)層材料和金屬納米細(xì)絲由于溫度系數(shù)引起的電阻變化相對而言就可以忽略不計；因此，芯體的溫漂非常小，溫漂指標(biāo)小于0.005%FS/℃；其次，由于壓力傳感器芯體不采用惠斯通電橋的形式，而且形成的金屬納米細(xì)絲尺寸最大處也只數(shù)百納米，體積也可以實現(xiàn)微米級。本發(fā)明的壓力傳感器芯體，介質(zhì)層采用金屬氧化物或硫化物材質(zhì)，由于此種金屬氧化物在高溫有氧環(huán)境下形成的，因此在高溫有氧環(huán)境下具有很高的穩(wěn)定性，從而使芯體具有耐高溫的特性，最高使用溫度可達(dá)到280℃。本發(fā)明的壓力傳感器芯體的制備方法，操作簡便、易于實現(xiàn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明的離子開關(guān)工作示意圖。

圖3為發(fā)明的方法流程圖。

圖中標(biāo)號表示：1、基片；2、下電極層；3、介質(zhì)層；4、上電極層；5、電極保護層。

具體實施方式

以下結(jié)合說明書附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步描述。

如圖1和圖2所示，本實施例的壓力傳感器芯體，包括基片1、下電極層2、介質(zhì)層3和上電極層4，下電極層2位于基片1上，介質(zhì)層3位于下電極層2和上電極層4之間，上電極層4與下電極層2之間的介質(zhì)層3中設(shè)有原子開關(guān)；原子開關(guān)形成的過程為：在上電極層4和下電極層2之間施加一個正向脈沖電壓，使上電極層4上的金屬原子發(fā)生化學(xué)氧化反應(yīng)形成金屬離子，金屬離子經(jīng)介質(zhì)層3到達(dá)下電極層2，得到電子后再發(fā)生電化學(xué)還原現(xiàn)象，還原成金屬原子，并逐漸堆積在下電極層2上，形成一條導(dǎo)通上電極層4和下電極層2的納米細(xì)絲；在上電極層4和下電極層2之間施加一個反向脈沖電壓，使納米細(xì)絲發(fā)生電化學(xué)溶解而斷開，形成原子開關(guān)。本發(fā)明的壓力傳感器芯體，在上電極層4和下電極層2之間的介質(zhì)層3中形成原子開關(guān)，在原子開關(guān)閉合的情況下，上電極層4和下電極層2間的電阻相當(dāng)于一個由納米金屬細(xì)絲形成的很小電阻和一個由介質(zhì)層3形成的很大電阻的串聯(lián)，由于介質(zhì)層3的電阻率特別大，因此金屬細(xì)絲的電阻對總電阻的影響極?。划?dāng)外界環(huán)境壓力值發(fā)生變化時，這種原子開關(guān)的原子層間隙會發(fā)生變化，導(dǎo)致電極間的電阻值發(fā)生明顯變化；由于金屬氧化物或硫化物等介質(zhì)層3材料的電阻率非常大，導(dǎo)致由原子層間隙的改變引起的電阻值變化也特別大，因此納米級別的介質(zhì)層3材料和金屬納米細(xì)絲由于溫度系數(shù)引起的電阻變化相對而言就可以忽略不計；因此，芯體的溫漂非常小，溫漂指標(biāo)小于0.005%FS/℃；其次，由于壓力傳感器芯體不采用惠斯通電橋的形式，而且形成的金屬納米細(xì)絲尺寸最大處也只數(shù)百納米，體積也可以實現(xiàn)微米級，或者在微小體積下實現(xiàn)壓力傳感器的陣列化，通過多組壓力傳感器芯體的同一壓力值采集，通過計算處理后能進一步提高壓力傳感器的輸出精度。

本實施例中，上電極層4上設(shè)置有電極保護層5，用于保護上電極層4被空氣氧化。

本實施例中，介質(zhì)層3為金屬氧化物或硫化物薄膜，具體為NiO或TiO2或CuOx或SiO2或ZrO2或Fe2O3或ZnO或ZnS中的一種，厚度范圍為20-200 nm；下電極層2為Pt、Ir、W或Au等惰性金屬，厚度約為120nm；上電極層4材質(zhì)為Cu、Ag或Ni等其它易發(fā)生電化學(xué)氧化還原反應(yīng)的金屬，厚度約為100nm；基片1（圖中的襯底層）為硅基片或玻璃基片或陶瓷基片。

如圖3所示，本發(fā)明還相應(yīng)公開了一種如上所述壓力傳感器芯體的制備方法，步驟為：

S01、開始，清洗基片1；

S02、在基片1表面制備下電極層2；

S03、在下電極層2上制備介質(zhì)層3；

S04、在介質(zhì)層3上制備上電極層4；

S05、在上電極層4和下電極層2之間施加一個正向脈沖電壓，使上電極層4上的金屬原子發(fā)生化學(xué)氧化反應(yīng)形成金屬離子，金屬離子經(jīng)介質(zhì)層3到達(dá)下電極層2，得到電子后再發(fā)生電化學(xué)還原現(xiàn)象，還原成金屬原子，并逐漸堆積在下電極上，形成一條導(dǎo)通上電極層4和下電極層2的納米細(xì)絲；

S06、在上電極層4和下電極層2之間施加一個反向脈沖電壓，使納米細(xì)絲發(fā)生電化學(xué)溶解而斷開，形成原子開關(guān)，制備完成。

本實施例中，在步驟S04中，在上電極層4上再制備電極保護層5，以對上電極層4進行保護，防止被氧化，電極保護層5為金屬Cu；

本實施例中，清洗基片1的具體過程為：用分析純度的丙酮、無水乙醇依次分別超聲清洗基片15 min；再用去離子水沖洗基片1表面5 min，然后用氮氣吹干。

下面結(jié)合一實施例對本發(fā)明中的原子開關(guān)形成過程做進一步說明：

以上電極層4為Cu，介質(zhì)層3為ZnS，下電極層2為Pt或W為例，在上電極層4上施加正電壓脈沖，會有Cu²⁺離子開始沿著電場方向在介質(zhì)層3內(nèi)向惰性陰極（下電極層2）方向遷移。當(dāng)Cu²⁺離子接觸到惰性陰極時得到電子而被還原，于是沉積在惰性電極表面。一旦開始有Cu顆粒沉積于陰極表面，介質(zhì)層3內(nèi)的電場分布發(fā)生變化，Cu沉積處的高電場會導(dǎo)致更多Cu²⁺離子遷移至此并被還原，于是逐漸形成一條由陰極通向陽極的細(xì)絲，在導(dǎo)電細(xì)絲完整形成的瞬間關(guān)閉施加的電壓，此時就在介質(zhì)層3內(nèi)部形成了一條極細(xì)的納米導(dǎo)電細(xì)絲。然后，在惰性的下電極層2上施加正向電壓脈沖，由于納米細(xì)絲最細(xì)小處僅數(shù)個原子，在電壓脈沖下，化學(xué)性質(zhì)活潑的Cu原子形成離子后擴散進介質(zhì)層3，另外，納米細(xì)絲內(nèi)通過電流時發(fā)熱嚴(yán)重，特別是納米細(xì)絲最細(xì)小薄弱處，因此過熱的環(huán)境導(dǎo)致此處的原子發(fā)生擴散，隨著Cu原子的不斷往外擴散，最終導(dǎo)致導(dǎo)電細(xì)絲溶解而斷開，形成原子開關(guān)。

其中電化學(xué)金屬化（Electrochemical Metallization）效應(yīng)可簡寫為ECM效應(yīng)，也被稱作導(dǎo)通橋聯(lián)（Conductive Bridging）效應(yīng)或者可編程金屬化（Programmable Metallization Cell）效應(yīng)。單個ECM單元的其中一個金屬電極為電化學(xué)活性金屬材料，如Ag、Cu或者Ni，另外一個金屬電極為惰性金屬電極，如Pt、Ir、W或者Au，中間的介質(zhì)層3為固體電解質(zhì)材料，可以允許金屬離子在介質(zhì)層3中遷移。如圖2所示，為一個典型的ECM單元工作原理示意圖。在初始情況下，ECM單元處于如圖中D）位置所示的關(guān)斷狀態(tài)。其中A）置位-B）開態(tài)-C）復(fù)位-D）關(guān)態(tài)的原理示意圖分別如圖所示，可以看到ECM單元的開啟與關(guān)斷是基于Ag+離子在固態(tài)電解質(zhì)層中的沉積與溶解，導(dǎo)致導(dǎo)電細(xì)絲的形成與破壞，如本例中的Ag電極，施加正電壓，會有Ag+離子開始沿著電場方向在電解質(zhì)內(nèi)向惰性陰極方向遷移。當(dāng)Ag+離子接觸到惰性陰極時得到電子被還原，于是沉積在惰性電極表面。一旦開始有Ag顆粒沉積于陰極表面，電解質(zhì)內(nèi)的電場分布發(fā)生變化，Ag沉積處的高電場會導(dǎo)致更多Ag+離子遷移至此并被還原，于是逐漸形成一條由陰極通向陽極的細(xì)絲，如A）所示，在導(dǎo)電細(xì)絲完整形成的瞬間為置位過程，此時ECM單元的阻態(tài)迅速由高阻變?yōu)榈妥?。最終，電流由細(xì)絲流過，ECM單元達(dá)到開啟狀態(tài)，如B）所示。而此時當(dāng)Ag電極加反向電壓，會導(dǎo)致導(dǎo)電細(xì)絲的溶解破壞，即復(fù)位過程，如圖C）所示，此時ECM單元的阻態(tài)迅速由低阻變?yōu)楦咦?。最終器件達(dá)到關(guān)斷狀態(tài)，如D）所示。

本實施例中，正向脈沖電壓大于5V，持續(xù)時間在1ms以上；反向脈沖電壓范圍為0.5V～2V，持續(xù)時間在1ms以上。

本實施例中，在步驟S02和步驟S04中，制備上電極層4和下電極層2的方法為磁控濺射、離子束濺射或脈沖激光沉積；在步驟S03中，制備介質(zhì)層3的方法為磁控濺射、離子束濺射、脈沖激光沉積、熱蒸發(fā)或電子束蒸發(fā)。

以上僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，本發(fā)明的保護范圍并不僅局限于上述實施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進和潤飾，應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。