金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性⑵渲苽浞椒ㄅc調(diào)控方法技術(shù)

本發(fā)明專(zhuān)利技術(shù)提供了一種金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性Ｔ搲鹤鑲鞲性梢r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(guò)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。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【專(zhuān)利摘要】本專(zhuān)利技術(shù)提供了一種金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性Ｔ搲鹤鑲鞲性梢r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(guò)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(zhuān)利說(shuō)明】
本專(zhuān)利技術(shù)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⑵渲?備方法與調(diào)控方法。
技術(shù)介紹
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。 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。 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。 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。 類(lèi)金剛石碳膜，英文名稱(chēng)為Diamond like carbon,簡(jiǎn)稱(chēng)為DLC，是一類(lèi)非晶碳膜的 統(tǒng)稱(chēng)，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。 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。 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(guò)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。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專(zhuān)利技術(shù)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。 為了實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本專(zhuān)利技術(shù)人通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)探索后發(fā)現(xiàn)，在制備DLC的過(guò)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(guò)調(diào)控工藝參數(shù)（包括碳源種 類(lèi)、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(guò)調(diào)控?fù)诫s金屬含量，從而獲得低TCR值。 因此，本專(zhuān)利技術(shù)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鐖D1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。 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。 所述的襯底不限，包括PET、PI、PMMA、A1203、玻璃等。 所述的金屬電極材料不限，包括W、Cr、Ti、Al、Ag等。 本專(zhuān)利技術(shù)還提供了一種制備上述金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性姆椒ǎㄈ缦虏?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(guò)陽(yáng)極層離子源離化后提供碳源，在襯底 表面沉積類(lèi)金剛石碳膜，同時(shí)開(kāi)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。 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。 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。 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(guò)調(diào)控步驟2中的工藝參數(shù)，如碳源種類(lèi)、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(guò)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(guò)調(diào)節(jié)步驟 2中的磁控靶電流來(lái)調(diào)節(jié)壓阻傳感元件的GF值與TCR值。 綜上所述，本專(zhuān)利技術(shù)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，本專(zhuān)利技術(shù)的壓阻傳感元件具有如下技術(shù)優(yōu)點(diǎn)： (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(guò)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； (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(lèi)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(guò)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； (3)該壓阻傳感元件在摩擦過(guò)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； (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本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種金屬摻雜非晶碳?jí)鹤鑲鞲性涮卣魇牵河梢r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。

【技術(shù)特征摘要】

【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：汪愛(ài)英，郭鵬，李潤(rùn)偉，張棟，檀洪偉，柯培玲，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：中國(guó)科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：浙江;33