[发明专利]一种压阻传感元件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于压阻传感器件技术领域，尤其涉及一种压阻传感元件及其制备方法。

背景技术

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值定义为电阻变化率与形变变化率的比值，是压阻材料的重要参数之一，反映了压阻材料的灵敏程度。

单晶硅具有较高的GF值(～100)，应用广泛，但是制备成本较高，并且具有各向异性。多晶Si制备成本较低，被广泛应用于压阻传感器，可实现微型化和集成化趋势，但是普通多晶Si的GF值均低于30，使其灵敏度受到极大限制。

另外，在特殊环境以及特殊工况下工作时，对压阻传感器的性能提出了更高的要求。例如，在强酸碱环境中工作时，要求压阻传感器具有良好的耐酸碱性能，在摩擦接触工况中工作时，要求压阻传感器具有良好的耐摩擦性能。

鉴于此，传统的硅锗基压阻MEMs系统已面临性能极限挑战，迫切需要开发新型的压阻传感元件。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在提供一种新型结构的压阻传感元件，其具有高灵敏度系数GF值，并且兼具高机械性能、耐腐蚀性能等。

为了实现上述技术目的，本发明人经过大量实验探索研究后，以类金刚石碳膜为压阻材料，设计了本发明的压阻传感元件。

类金刚石碳膜，英文名称为Diamond like carbon，简称为DLC，是一大类无定形碳材料的统称。通常，DLC薄膜主要是由C-C之间通过sp²共价键和sp³共价键形成的不规则空间网状结构，具有各向同性。DLC薄膜具有许多与金刚石薄膜相似的特性，比如高硬度和模量、低摩擦系数、高化学惰性、透光性、电绝缘性、耐腐蚀性和生物相容性，因此具有广泛的应用前景。此外，DLC薄膜可以采用多种方法进行制备，包括离子束沉积、溅射沉积、真空阴极电弧沉积、脉冲激光沉积、等离子体浸没离子注入沉积、直接光化学气相沉积、等离子体增强化学气相沉积、电化学液相沉积、聚合物热解法等。其中，离子束和磁控溅射等PVD技术具有低温大面积沉积的优点。

即，本发明采用的技术方案为：一种压阻传感元件，如图1所示，由衬底、类金刚石碳膜、金属电极组成，类金刚石碳膜位于衬底表面，金属电极位于类金刚石碳膜表面。

所述的类金刚石碳膜是由碳的金刚石相sp³和石墨相sp²杂化态混合形成的无定形材料，具有各向同性。

所述的衬底不限，包括PET、PI、PMMA、Al₂O₃、玻璃等。

所述的金属电极材料不限，包括W、Cr、Ti、Al、Ag等。

所述的类金刚石碳膜的厚度不限，作为优选，厚度为200～700nm。

本发明还提供了一种制备上述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在衬底表面沉积类金刚石碳膜，离子源电流为0.1A～0.5A，腔体内气体压力为0.2Pa～1Pa，衬底直流脉冲偏压为-50V～-400V；

步骤3：将步骤2得到的表面沉积类金刚石碳膜的衬底从镀膜腔室中取出，在类金刚石碳膜表面留出待沉积电极区域，其余的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；溅射气体为Ar，溅射靶电流为1～5A，腔体内压力为0.2Pa～0.5Pa，衬底直流脉冲偏压为-50V～-100V。

所述的步骤2中，碳氢气体包括C₂H₂、CH₄、C₆H₆等气体中的一种或几种。

所述的步骤3中，金属电极材料包括W、Cr、Ti、Al、Ag等。

综上所述，本发明以类金刚石碳膜为压阻材料，在衬底表面设置类金刚石碳膜，在类金刚石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，本发明的压阻传感元件具有如下技术优点：