[发明专利]金属掺杂非晶碳压阻传感元件、其制备方法与调控方法

说明书

技术领域

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

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K^-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1.7×10³ppmK^-1，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H多晶Si的TCR值高达8×10⁴ppmK^-1。

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ppmK^-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

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。

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。

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。

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。

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：

步骤1：将衬底置于真空腔室中，利用氩离子刻蚀衬底表面；