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1、10申请公布号CN104195516A43申请公布日20141210CN104195516A21申请号201410424861222申请日20140826C23C14/35200601C23C14/06200601C23C14/04200601C23C14/54200601G01D5/1620060171申请人中国科学院宁波材料技术与工程研究所地址315201浙江省宁波市镇海区庄市大道519号72发明人汪爱英郭鹏李润伟张栋檀洪伟柯培玲74专利代理机构北京鸿元知识产权代理有限公司11327代理人单英54发明名称金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法57摘要本发明提供了一种金属掺杂非晶碳。
2、压阻传感元件。该压阻传感元件由衬底、金属掺杂非晶碳薄膜、金属电极组成，金属掺杂非晶碳薄膜位于衬底表面，金属电极位于金属掺杂非晶碳薄膜表面。与现有的压阻传感元件相比，该压阻传感元件具有较低的TCR值，并且通过调节工艺参数不仅能够调控元件的GF值，而且能够调控元件的TCR值，从而得到同时具有高GF值、低TCR值的压阻传感元件，实现压阻传感元件的高灵敏度、宽温度范围适应性。51INTCL权利要求书1页说明书5页附图3页19中华人民共和国国家知识产权局12发明专利申请权利要求书1页说明书5页附图3页10申请公布号CN104195516ACN104195516A1/1页21一种金属掺杂非晶碳压阻传感元件。
3、，其特征是由衬底、金属掺杂非晶碳薄膜、金属电极组成，金属掺杂非晶碳薄膜位于衬底表面，金属电极位于金属掺杂非晶碳薄膜表面。2如权利要求1所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件，其特征是所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件的TCR值为190980PPMK1。3如权利要求1或2所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件，其特征是所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件的GF值为200600。4如权利要求1或2所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件，其特征是所述的掺杂金属为W、CR、TI、NI、AG、CU、AL中的一种或几种的组合。5如权利要求1或2所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件，其特征是所述的衬底为PET、PI、PMMA、AL2O。
4、3或者玻璃。6如权利要求1或2所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件，其特征是所述的金属电极材料为W、CR、TI、AL、AG中的一种或几种的组合。7制备权利要求1或2所述的金属掺杂非晶碳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向镀膜腔室内通入碳氢气体，通过阳极层离子源离化提供碳源，在衬底表面沉积类金刚石碳膜，同时开启磁控溅射源，通入AR气，在衬底表面溅射沉积金属原子，离子源电流为01A05A，磁控靶电流为12A5A，腔体内气体压力为02PA1PA，基体直流脉冲偏压为50V400V；步骤3将步骤2得到的表面沉积金属掺杂非晶碳膜的衬底从镀膜腔室中。
5、取出，在金属掺杂非晶碳膜表面留出待沉积电极区域，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区域溅射沉积金属电极。8如权利要求7所述的金属掺杂非晶碳压阻传感元件的制备方法，其特征是所述的步骤3中，溅射气体为AR，靶电流为15A，腔体内压力为02PA05PA，衬底直流脉冲偏压为50V100V。9在权利要求7所述的制备方法中调控金属掺杂非晶碳压阻传感元件GF值与TCR值的方法，其特征是通过调控步骤2中的碳源种类、基体直流脉冲偏压以及溅射功率，调控金属掺杂非晶碳压阻传感元件GF值与TCR值。10在权利要求7所述的制备方法中调控金属掺杂非晶碳压阻传感元件GF值与TCR值的方法，。
6、其特征是通过调控步骤2中的磁控靶电流，调控金属掺杂非晶碳压阻传感元件GF值与TCR值。权利要求书CN104195516A1/5页3金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法技术领域0001本发明属于薄膜传感器领域，尤其涉及一种金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法。背景技术0002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。0003在压阻传感材。
7、料中，灵敏度系数GF值以及电阻温度系数TCR是两个重要的参数。其中，GF反映了压阻材料的灵敏程度，定义为电阻变化率与形变变化率的比值；而TCR反映了压阻材料对温度的灵敏程度，定义为两个不同温度下的电阻变化率与温度差之间的比值，单位为K1。0004单晶硅具有较高的GF值约为100，应用广泛，但其TCR值也较大，约为17103PPMK1，另外制备成本较高，并且具有各向异性。0005多晶SI制备成本较低，广泛应用于压阻传感器，可实现微型化和集成化趋势，但普通多晶SI的GF值均低于30，这使其灵敏度受到极大限制，并且含H多晶SI的TCR值高达8104PPMK1。0006类金刚石碳膜，英文名称为DIAM。
8、ONDLIKECARBON，简称为DLC，是一类非晶碳膜的统称，可以表现出高GF值，,但同时DLC具有很高的TCR，高达数千PPMK1，这仍不利于DLC在压阻传感中的实际应用。0007因此，对于要求同时具有高灵敏度、宽温度范围适应性，以及摩擦接触的压阻传感，传统的硅锗基压阻MEMS系统以及新型纯非晶碳膜难以满足，这就要求新的压阻材料和压阻元件。0008金属掺杂DLC主要是由C的SP2共价键和SP3共价键形成的不规则空间网状结构，金属原子或者金属碳化物分布在碳网络基质中。通过调控工艺参数可以改变SP2共价键和SP3共价键比例以及金属原子或者金属碳化物的尺寸与分布，从而获得具有高GF以及低TCR的。
9、金属掺杂DLC。这种金属掺杂DLC可以采用离子束复合溅射沉积方法进行制备。发明内容0009本发明的技术目的是针对上述技术现状，提供一种压阻传感元件，其同时具有高灵敏度、宽温度范围适应性。0010为了实现上述技术目的，本发明人通过大量实验探索后发现，在制备DLC的过程中掺杂金属原子或者金属碳化物，使金属原子或者金属碳化物分布在主要由C的SP2共价键和SP3共价键形成的不规则的碳空间网基质结构中时，通过调控工艺参数包括碳源种说明书CN104195516A2/5页4类、基体直流脉冲偏压以及溅射功率等不仅可以改变SP2共价键和SP3共价键比例，从而获得高GF值，而且可以通过调控掺杂金属含量，从而获得低。
10、TCR值。0011因此，本发明人提供了一种能够同时具有高灵敏度、宽温度范围适应性的压阻传感元件，具体为一种金属掺杂非晶碳压阻传感元件，如图1所示，由衬底1、金属掺杂非晶碳薄膜2、金属电极3组成，金属掺杂非晶碳薄膜2位于衬底1表面，金属电极3位于金属掺杂非晶碳薄膜2表面。0012所述的金属掺杂非晶碳薄膜是由C的金刚石相SP3和石墨相SP2杂化态以及金属原子或者金属碳化物组成，并含有一定的H原子，金属原子或者金属碳化物分布在主要由C的SP2共价键和SP3共价键形成的不规则的碳空间网基质结构中。所述的掺杂金属包括W、CR、TI、NI、AG、CU、AL等中的一种或几种的组合。0013所述的衬底不限，包。
11、括PET、PI、PMMA、AL2O3、玻璃等。0014所述的金属电极材料不限，包括W、CR、TI、AL、AG等。0015本发明还提供了一种制备上述金属掺杂非晶碳压阻传感元件的方法，包括如下步骤0016步骤1将衬底置于真空腔室中，利用氩离子刻蚀衬底表面；0017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提供碳源，在衬底表面沉积类金刚石碳膜，同时开启磁控溅射源，通入AR气，在衬底表面溅射沉积金属原子，离子源电流为01A05A，磁控靶电流为12A5A，腔体内气体压力为02PA1PA，基体直流脉冲偏压为50V400V；所述的碳氢气体包括C2H2、CH4、C6H6等气体中的一种或几种。001。
12、8步骤3将步骤2得到的表面沉积金属掺杂非晶碳膜的衬底从镀膜腔室中取出，在金属掺杂非晶碳膜表面留出待沉积电极区域，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区域溅射沉积金属电极。0019作为优选，所述的步骤3中，溅射气体为AR，靶电流为15A，腔体内压力为02PA05PA，衬底直流脉冲偏压为50V100V。0020对上述制得的基于金属掺杂非晶碳的压阻传感元件的压阻效应进行研究，得到其电子输运是由非晶碳基质中分布的金属原子或者金属碳化物团簇间的跳跃机制控制，电子输运受到金属原子或者金属碳化物团簇之间的距离以及团簇尺寸控制，并可能受到导电SP2团簇的影响，因而通过调控步骤2。
13、中的工艺参数，如碳源种类、基体直流脉冲偏压以及溅射功率等，不仅能够改变薄膜的SP2和SP3含量、金属原子或者金属碳化物团簇的尺寸与分布，从而对元件的GF值进行调控；而且能够改变薄膜中金属元素含量，从而对元件的TCR值进行调控。因此，通过调控步骤2中的工艺参数，能够得到同时具有高GF值、低TCR值的压阻传感元件，实现压阻传感元件的高灵敏度、宽温度范围适应性。作为优选，通过调节步骤2中的磁控靶电流来调节压阻传感元件的GF值与TCR值。0021综上所述，本发明以金属掺杂非晶碳膜为压阻材料，在衬底表面设置金属掺杂非晶碳膜，在金属掺杂非晶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，。
14、本发明的压阻传感元件具有如下技术优点00221与具有高灵敏度系数但各项异性的单晶硅，以及具有各项同性但低灵敏度系数的多晶硅传感元件相比，该压阻传感元件通过调节工艺参数能够具有高灵敏度系数，其说明书CN104195516A3/5页5GF值在200600，并且非晶结构决定了其具有各向同性，各个方向的灵敏度相同；00232同时，与具有高灵敏度系数但各项异性的单晶硅、具有各项同性但低灵敏度系数的多晶硅传感元件，以及由类金刚石碳膜材料构成的传感元件相比，该压阻传感元件具有低的TCR值，其TCR值为190980PPMK1，能够适用较宽温度范围的传感应用；并且，通过调节工艺参数改变其金属元素含量，能够进一步。
15、调控其TCR值；00243该压阻传感元件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，因而能够适用于接触与摩擦存在的传感应用；00254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。附图说明0026图1是本发明金属掺杂非晶碳压阻传感元件的结构示意图；0027图2是本发明实施例1的压阻传感元件在加载卸载阶段的灵敏度系数随应变变化关系图；0028图3是本发明实施例1的压阻传感元件的电阻率随温度变化关系图；0029图4是本发明实施例2的压阻传感元件在加载卸载阶段的灵敏度系数随应变变化关系图；0030图5是本发明实施例2的压阻传感元件的电阻率随温度变化关系图；。
16、0031图6是本发明实施例3的压阻传感元件在加载卸载阶段的灵敏度系数随应变变化关系图；0032图7是本发明实施例3的压阻传感元件的电阻率随温度变化关系图。具体实施方式0033下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。0034图1中的附图标记为1衬底，2金属掺杂非晶碳薄膜，3金属电极。0035实施例10036本实施例中，压阻传感元件由PET衬底、钨掺杂非晶碳薄膜以及金属CR电极组成，钨掺杂非晶碳薄膜位于PET衬底表面，金属CR电极位于钨掺杂非晶碳薄膜表面。0037该压阻传感元件的制备方法包括如下步骤00381PET衬底。
17、经乙醇超声清洗，烘干后置于真空腔体内，预抽真空到25103PA；通过阳极层离子源往镀膜腔体里通入氩气，使气压维持在037PA，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02A，利用电离氩离子刻蚀基体表面，此过程维持5分钟；00392通过阳极层离子源往镀膜腔体里通入C2H2气体提供碳源，同时开启磁控溅射源，通入AR气，溅射钨靶；保持腔体气压在06PA，离子束电流在02A，溅射靶电流为2A，基体脉冲偏压为100V；00403将步骤2得到的表面沉积钨掺杂非晶碳薄膜的衬底从腔体中取出，在钨掺杂非晶碳膜表面留出2处约为2MM1MM的待沉积电极区域，其余区域采用掩模板覆盖，然说明书CN1。
18、04195516A4/5页6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25A，保持腔体气压在03PA，衬底直流脉冲偏压为100V。0041对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IV曲线，计算出线性接触区的电阻值R，得到电阻变化率随应变变化关系，通过如下公式00420043其中，R0为初始电阻值，R为拉伸后薄膜电阻值，为对应的拉伸应变，得到图2所示的灵敏度系数随应变变化关系图，其。
19、最大GF值约为204。0044采用四点法，通过综合物理性能测试系统测试上述制得的压阻传感元件在300K400K范围的电阻率随温度变化关系，结果如图3所示，通过如下公式00450046其中，R0为初始温度T0的电阻值，R为温度T下的薄膜电阻值，得到TCR值约为567PPMK1。0047实施例20048本实施例中，压阻传感元件的结构与实施例1完全相同。0049本实施例中，压阻传感元件的制备方法与实施例1中的制备方法基本相同，所不同的是，步骤2中溅射靶电流为18A。0050对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。
20、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IV曲线，计算出线性接触区的电阻值R，得到电阻变化率随应变变化关系，通过如下公式00510052其中，R0为初始电阻值，R为拉伸后薄膜电阻值，为对应的拉伸应变，得到图4所示的灵敏度系数随应变变化关系图，其最大GF值约为565。0053采用四点法，通过综合物理性能测试系统测试上述制得的压阻传感元件在300K400K范围的电阻率随温度变化关系，结果如图5所示，通过如下公式00540055其中，R0为初始温度T0的电阻值，R为温度T下的薄膜电阻值，得到TCR值约为190PPMK1。0056实施例30057本实施例中，压阻传感。
21、元件由AL2O3衬底、钨掺杂非晶碳薄膜以及金属AL电极组成，钨掺杂非晶碳薄膜位于AL2O3衬底表面，金属AL电极位于钨掺杂非晶碳薄膜表面。0058该压阻传感元件的制备方法包括如下步骤说明书CN104195516A5/5页700591AL2O3衬底经乙醇超声清洗，烘干后置于真空腔体内，预抽真空到20103PA；往镀膜腔体里通入氩气，使气压维持在1PA，在衬底上施加50V的脉冲偏压，利用电离氩离子刻蚀衬底表面，此过程维持20分钟；00602通过阳极层离子源往镀膜腔体里通入C2H2气体提供碳源，同时开启磁控溅射源，通入AR气，溅射钨靶；保持腔体气压在06PA，离子束电流在02A，溅射靶电流为14A，。
22、衬底脉冲偏压为100V；00613将步骤2得到的表面沉积钨掺杂非晶碳薄膜的衬底从腔体中取出，在钨掺杂非晶碳膜表面留出2处约为2MM1MM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，采用磁控溅射技术制备金属AL电极，溅射气体为AR，靶电流为2A，保持腔体气压在03PA，基体直流脉冲偏压为100V。0062对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IV曲线，计算出线性接触区的电阻值R，得到电阻变化率随应变变化关系，通过如。
23、下公式00630064其中，R0为初始电阻值，R为拉伸后薄膜电阻值，为对应的拉伸应变，得到图6所示的灵敏度系数随应变变化关系图，其最大GF值约为521。0065采用四点法，通过综合物理性能测试系统测试上述制得的压阻传感元件在300K400K范围的电阻率随温度变化关系图，如图7所示，通过如下公式00660067其中，R0为初始温度T0的电阻值，R为温度T下的薄膜电阻值，得到TCR值约为378PPMK1。0068以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。说明书CN104195516A1/3页8图1图2图3说明书附图CN104195516A2/3页9图4图5说明书附图CN104195516A3/3页10图6图7说明书附图CN104195516A10。