一種金屬摻雜非晶碳薄膜溫度傳感元件及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于薄膜溫度傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種金屬摻雜非晶碳薄膜溫度傳感元 件及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 在20世紀(jì)，隨著集成電路工藝和微電子機械系統(tǒng)（MicroElectroMechanical Systems，簡稱MEMS)的發(fā)展，各種傳感器的發(fā)展進(jìn)入了一個新的階段。其中，溫度傳感器在 現(xiàn)代信息技術(shù)中具有特殊作用，是目前用量最大的一類傳感器。
[0003] 薄膜溫度傳感器是隨著薄膜技術(shù)的成熟而發(fā)展起來的一種新型微傳感器，與塊體 溫度傳感器相比較，薄膜溫度傳感器的敏感元件為μm級的薄膜，具有體積小，熱響應(yīng)時間 短的特點，能夠準(zhǔn)確測量瞬態(tài)溫度變化，并且這種傳感器精度高，便于集成和安裝，適用于 微尺度或小空間的溫度測量和表面溫度的測量。目前，薄膜溫度傳感器廣泛應(yīng)用于內(nèi)燃機 的活塞頂面和燃燒室壁面，槍炮膛內(nèi)壁，鍛膜表面，硅片快速熱處理等瞬態(tài)的溫度測試，并 且在激光束熱流量分布，切削刀具工作時的高溫變化，激光微加工系統(tǒng)工作機理等研究方 面也得到了長足的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。
[0004] 對于薄膜溫度傳感材料而言，電阻溫度系數(shù)TCR是反映材料對溫度的靈敏程度的 重要參數(shù)，定義為兩個不同溫度下的試樣電阻率變化與溫度差之間的比值，單位為PpmK1。
[0005] 金屬可作為薄膜溫度傳感材料，常見的有Pt，Ni，Al，Ag，Ti，Cu以及Au-Pd，Ni-Al， Ni-Fe，Bi-Ag合金等，都是利用金屬材料的電阻率隨溫度升高而增加的原理來進(jìn)行溫度測 量的。一般而言，金屬薄膜傳感材料測量溫度范圍廣，線性好，性能穩(wěn)定，但同時金屬材料 TCR較小，靈敏度較差，并且金屬耐蝕耐磨性能差，這限制了金屬薄膜溫度傳感器在特殊工 況下的溫度傳感。
[0006] Si薄膜制備成本較低，廣泛應(yīng)用于各種傳感器，可滿足傳感器微型化和集成化趨 勢，但普通Si薄膜的機械特性依舊無法滿足更加苛刻工況下的溫度傳感需求。
[0007] 金剛石薄膜盡管具有較高的機械強度，性能穩(wěn)定，測量溫度范圍廣。但是金剛石膜 沉積條件苛刻，對基體材料有較大的限制，并且粘附性差，這在很大程度上也限制了金剛石 薄膜溫度傳感器的應(yīng)用范圍。
[0008] 類金剛石碳膜，英文名稱為Diamondlikecarbon，簡稱為DLC，是一類非晶碳 膜的統(tǒng)稱，具有優(yōu)異的化學(xué)與機械穩(wěn)定性，其制備工藝可與微電子工藝兼容，并且作為 NTC(NegativeTemperatureCoefficient)，即負(fù)溫度系數(shù)的導(dǎo)電材料，具有高TCR值，達(dá)數(shù) 千ppmK\但同時DLC具有高室溫電阻率，這對于元件集成帶來極大的不利。
[0009] 因此，金屬、傳統(tǒng)的Si基薄膜以及傳統(tǒng)的非晶碳薄膜作為薄膜溫度傳感材料應(yīng)用 時，無法同時具有高TCR、適當(dāng)室溫電阻，以及一定摩擦腐蝕防護(hù)等要求，因此需要研發(fā)新的 薄膜溫度傳感材料和溫度傳感元件。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 針對上述技術(shù)現(xiàn)狀，本發(fā)明旨在提供一種新型薄膜溫度傳感元件，其具有電阻率 與TCR值可調(diào)的特點，可同時具有高TCR值與優(yōu)異機械性能。
[0011] 為了實現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明人通過大量實驗探索后發(fā)現(xiàn)，以DLC作為薄膜溫 度傳感材料，在制備DLC的過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共價鍵和sp3共價鍵形成的不規(guī)則的碳空間網(wǎng)基質(zhì)結(jié)構(gòu)中時，該 薄膜溫度傳感元件的電子輸運是由非晶碳基質(zhì)中分布的金屬原子和/或金屬碳化物團(tuán)簇 間的跳躍機制控制。具體而言，電子輸運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，因而通過改變sp2共價鍵和sp3共價鍵 比例，金屬原子和/或金屬碳化物團(tuán)簇之間的距離以及團(tuán)簇尺寸可調(diào)控薄膜溫度傳感元件 的TCR值，而且通過調(diào)控?fù)诫s金屬含量，可調(diào)控其電阻率和機械特性，從而能夠兼具高TCR 值與優(yōu)異機械性能。
[0012] 因此，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：一種金屬摻雜非晶碳薄膜溫度傳感元件，如圖 1所示，由基體1、金屬摻雜非晶碳薄膜2、電極3組成，金屬摻雜非晶碳薄膜2位于基體1表 面，電極3位于金屬摻雜非晶碳薄膜2表面。
[0013] 所述的金屬摻雜非晶碳薄膜2包含C的金剛石相sp3和石墨相sp2雜化態(tài)以及金 屬原子和/或金屬碳化物，其中金屬原子和/或金屬碳化物分布在主要由C的sp2共價鍵 和sp3共價鍵形成的不規(guī)則的碳空間網(wǎng)基質(zhì)結(jié)構(gòu)中。
[0014] 所述的摻雜金屬包括W、Cr、Ti、Ni、Ag、Cu、A1等中的一種或兩種以上的組合。
[0015] 所述的基體不限，包括Zr02、Al203、玻璃等。
[0016] 所述的金屬摻雜非晶碳薄膜還可以包含Η原子。
[0017] 作為一種實現(xiàn)方式，所述的金屬摻雜非晶碳薄膜由C的金剛石相sp3和石墨相sp2 雜化態(tài)、金屬原子和/或金屬碳化物，以及Η原子組成。
[0018] 所述的電極材料包括但不限于Ag、Pt等中的一種或兩種以上的組合。
[0019] 通過改變所述金屬摻雜非晶碳薄膜中sp2共價鍵和sp3共價鍵的比例、金屬原子和 /或金屬碳化物團(tuán)簇之間的距離、金屬原子尺寸和/或金屬碳化物團(tuán)簇的尺寸，以及摻雜金 屬的含量等中的至少一種調(diào)控所述金屬摻雜非晶碳薄膜溫度傳感元件的電阻率與TCR值。
[0020] 本發(fā)明還提供了一種制備上述金屬摻雜非晶碳薄膜溫度傳感元件的方法，包括如 下步驟：
[0021] 步驟1 :將基體置于真空腔室中，利用氬離子刻蝕基體表面；
[0022] 步驟2 :向鍍膜腔室內(nèi)通入碳?xì)錃怏w，通過陽極層離子源離化后提供碳源，在基體 表面沉積類金剛石碳膜，同時開啟磁控濺射源，通入Ar氣，在基體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1A~8A，基體直流脈沖偏壓為-10V~-400V;
[0023] 所述的碳?xì)錃怏w包括但不限于(：2!12、014、(： 6!16等氣體中的一種或兩種以上的混合氣 體。
[0024] 步驟3 :將步驟2得到的表面沉積金屬摻雜非晶碳膜的基體從鍍膜腔室中取出，在 金屬摻雜非晶碳膜表面涂敷導(dǎo)電銀膠，并引入電極線，然后烘干處理。
[0025] 作為優(yōu)選，所述的步驟2中，靶電流為1. 2A~5A，基體直流脈沖偏壓 為-50V~-100V〇
[0026] 作為優(yōu)選，所述的步驟2中，腔體內(nèi)氣體壓力為0.IPa~IPa，更優(yōu)選為0. 2Pa~ 0. 5Pa〇
[0027] 通過調(diào)控步驟2中的工藝參數(shù)，如碳源種類、基體直流脈沖偏壓以及磁控靶電流 等中的至少一種，能夠改變薄膜的sp2和sp3含量，以及金屬原子或者金屬碳化物團(tuán)簇的尺 寸與分布，從而對元件的TCR值以及電阻率進(jìn)行調(diào)控。因此，通過調(diào)控步驟2中的工藝參 數(shù)，能夠得到同時具有高TCR以及電阻率可調(diào)的溫度傳感元件，實現(xiàn)溫度傳感元件的高靈 敏度、寬溫度范圍適應(yīng)性。作為優(yōu)選，通過調(diào)節(jié)步驟2中的磁控靶電流來調(diào)節(jié)溫度傳感元件 的TCR值與電阻率。綜上所述，本發(fā)明以金屬摻雜非晶碳膜為溫度傳感材料，在基體表面設(shè) 置金屬摻雜非晶碳膜，在金屬摻雜非晶碳膜表面設(shè)置電極，組成溫度傳感元件。與現(xiàn)有的溫 度傳感元件相比，本發(fā)明的溫度傳感元件具有如下技術(shù)優(yōu)點：
[0028] (1)與金屬薄膜傳感元件相比，該溫度傳感元件具有高TCR值，以及更優(yōu)的耐腐蝕 磨損特性；并且，通過調(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值和電阻 率，TCR值在80~3150ppmK1范圍內(nèi)可調(diào)控；
[0029] (2)與硅薄膜傳感元件相比，該溫度傳感元件具有高彈性模量與硬度等機械特性， 利于MEMs系統(tǒng)的力學(xué)穩(wěn)定性，可以滿足苛刻工況下的溫度傳感需求；
[0030] (3)與金剛石薄膜傳感元件相比，通過調(diào)節(jié)工藝參數(shù)能夠調(diào)控其TCR值和電阻率， 從而獲得理想的TCR值和電阻率；另外，該溫度傳感元件具有更高的結(jié)合力，并且對基體材 料的選擇更為廣泛；
[0031] (4)該溫度傳感元件在摩擦過程中可以轉(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。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發(fā)明金屬摻雜非晶碳溫度傳感元件的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖2是本發(fā)明實施例1的溫度傳感元件的電阻率隨溫度變化關(guān)系圖；
[0034] 圖3是本發(fā)明實施例2的溫度傳感元件的電阻率隨溫度變化關(guān)系圖；
[0035] 圖4是本發(fā)明實施例3的溫度傳感元件的電阻率隨溫度變化關(guān)系圖；
[0036] 圖5是本發(fā)明實施例4的溫度傳感元件的電阻率隨溫度變化關(guān)系圖；
[0037] 圖6是本發(fā)明實施例5的溫度傳感元件的電阻率隨溫度變化關(guān)系圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面結(jié)合附圖實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述，需要指出的是，以下所述實施 例旨在便于對本發(fā)明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0039] 圖1中的附圖標(biāo)記為：1_基體，2-金屬摻雜非晶碳薄膜，3-電極。
[0040] 實施例1 :
[0041] 本實施例中，溫度傳感元件結(jié)構(gòu)如圖1所示，由A1203基體1、鎢摻雜非晶碳薄膜2 以及銀膠電極3組成，鎢摻雜非晶碳薄膜2位于A1203基體1表面，銀膠電極3位于鎢摻雜 非晶碳薄膜2表面。
[0042] 鎢摻雜非晶碳薄膜2由C的金剛石相sp3和石墨相sp2雜化態(tài)、鎢原子和/或鎢的 碳化物，以及Η原子組成，其中鎢原子和/或鎢的碳化物分布在主要由C的sp2共價鍵和sp3 共價鍵形成的不