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

本发明专利技术提供了一种金属掺杂非晶碳压阻传感元件。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。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术提供了一种金属掺杂非晶碳压阻传感元件。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。【专利说明】
本专利技术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。
技术介绍
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。 在压阻传感材料中，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ΙΓ 1。 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 1. 7X Kfppmr1，另外制备成本较高，并且具有各向异性。 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Η多晶Si的TCR值高 达 8X 104ppmK 工。 类金刚石碳膜，英文名称为Diamond like carbon,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ρρπιΓ 1，这仍不利于DLC 在压阻传感中的实际应用。 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。 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sp 2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。
技术实现思路
本专利技术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。 为了实现上述技术目的，本专利技术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 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TCR值。 因此，本专利技术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。 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Η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、A1等中的一种或几种的组合。 所述的衬底不限，包括PET、PI、PMMA、A1203、玻璃等。 所述的金属电极材料不限，包括W、Cr、Ti、Al、Ag等。 本专利技术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： 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， 离子源电流为〇. 1A?0. 5A，磁控靶电流为1. 2A?5A，腔体内气体压力为0. 2Pa?IPa，基 体直流脉冲偏压为-50V?-400V ;所述的碳氢气体包括C2H2、CH4、C6H 6等气体中的一种或几 种。 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。 作为优选，所述的步骤3中，溅射气体为Ar，靶电流为1?5A，腔体内压力为 0· 2Pa?(λ 5Pa，衬底直流脉冲偏压为-50V?-100V。 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sp 2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。 综上所述，本专利技术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，本专利技术的压阻传感元件具有如下技术优点： (1)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 GF值在200?600,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； (2)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190?θβΟρρπιΓ 1，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，能够进一步调控其TCR值； (3)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； (4)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本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种金属掺杂非晶碳压阻传感元件，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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：汪爱英，郭鹏，李润伟，张栋，檀洪伟，柯培玲，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：浙江;33