用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜及其制備方法、薄膜壓力傳感器芯體的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于本發(fā)明屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜及其制備方法、還涉及一種薄膜壓力傳感器芯體。
【背景技術(shù)】
[0002]薄膜傳感器被稱為第三代傳感器，由于薄膜壓力傳感器采用的是物理氣相沉積的方法制備，能滿足高溫、濕熱、腐蝕、震動(dòng)等惡劣環(huán)境下使用。薄膜壓力傳感器由于其優(yōu)異的穩(wěn)定性和惡劣環(huán)境適應(yīng)性在航空、航天領(lǐng)域、石油工業(yè)及汽車等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
[0003]目前，薄膜壓力傳感器芯體主要使用的應(yīng)變材料是鎳鉻合金，但是由于鎳鉻合金應(yīng)變因子低于2.5，因此限制了傳感器的靈敏度，又因?yàn)殒囥t合金在空氣、水汽長(zhǎng)時(shí)間作用下，合金組分中的鉻容易被氧化成氧化鉻，進(jìn)而改變傳感器應(yīng)變電阻的電阻值，因此降低了在惡劣環(huán)境下測(cè)量應(yīng)變的可靠性，不適合于惡劣環(huán)境下測(cè)量應(yīng)變。因此，開發(fā)具有高靈敏度、耐惡劣環(huán)境的應(yīng)變材料對(duì)于薄膜壓力傳感器的性能十分重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有高應(yīng)變因子、低電阻溫度系數(shù)、良好電導(dǎo)率的用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜及其制備方法，還提供一種高靈敏度、在惡劣環(huán)境下具有高可靠性的薄膜壓力傳感器芯體。
[0005]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
一種用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜，所述用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜為氮化鉭薄膜。
[0006]上述的用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜，優(yōu)選的，所述氮化鉭薄膜成分為TaNx，其中X為0.5?I。
[0007]上述的用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜，優(yōu)選的，所述氮化鉭薄膜的厚度為150nm?400nm。
[0008]作為一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種上述的用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜的制備方法，包括以下步驟:
(1)采用離子束濺射沉積方法轟擊氮化鉭靶，在薄膜傳感器所需彈性基底上沉積氮化鉭薄膜預(yù)備層；
(2)對(duì)所述氮化鉭薄膜預(yù)備層進(jìn)行退火處理，得到用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜。
[0009]上述的用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(I)中，離子束濺射鍍膜的工藝過程包括:采用聚焦腔卡夫曼離子源，陽(yáng)極電壓為45V?60V，陰極電流為12 A?16A，屏柵電壓為600 V?1000V，束流為50mA?100mA，加速電壓60V?120V，本底真空度小于5 X 10—4Pa，工作氣壓為2.0 X 10—2Pa?2.8 X 1-2Pa0
[0010]上述的用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜的制備方法，優(yōu)選的，所述退火處理的工藝過程為:在氮?dú)鈿夥障?，升溫?50°C?850°C，保溫35 min?55min。
[0011]上述的用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜的制備方法，優(yōu)選的，所述步驟(I)中，離子束濺射鍍膜的工藝過程還包括:在沉積氮化鉭薄膜預(yù)備層的同時(shí)，采用輔助離子源轟擊沉積中的氮化鉭薄膜預(yù)備層，所述輔助離子源為氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，氮?dú)獾捏w積百分比為0.03%?0.1%，采用卡夫曼離子源，陽(yáng)極電壓為45 V?60V，陰極電流為10 A?15A，屏柵電壓為400 V?800V，束流為50mA?100mA，加速電壓60V?120V。
[0012]作為一個(gè)總的發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種薄膜壓力傳感器芯體，包括彈性基底、緩沖層和絕緣層，還包括上述的用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜或上述的用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜的制備方法制備的應(yīng)變薄膜所形成的應(yīng)變薄膜電阻層，所述緩沖層、絕緣層和應(yīng)變薄膜電阻層依次設(shè)于彈性基底之上。
[0013]上述的薄膜壓力傳感器芯體，優(yōu)選的，所述緩沖層為氧化鉭薄膜，厚度為0.5μπι?I
μ??ο
[0014]上述的薄膜壓力傳感器芯體，優(yōu)選的，所述絕緣層為二氧化硅薄膜，厚度為2.5μπι~3ym0
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
1、本發(fā)明采用氮化鉭作為薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜，氮化鉭材料現(xiàn)普遍應(yīng)用電阻薄膜中，應(yīng)用于電阻薄膜中的氮化鉭薄膜具有熔點(diǎn)高、電阻溫度系數(shù)小和穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，另夕卜，已有研究表明，氮化鉭材料的應(yīng)變因子可以達(dá)到3.8，因此，氮化鉭材料作為薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜具有潛在的應(yīng)用前景。
[0016]2、自然界中氮化鉭存在多種形態(tài)，如TaN，Ta2N、Ta5N6、Ta4N^，不同形態(tài)的氮化鉭性能各異。本發(fā)明的氮化鉭薄膜成分為TaNx，其中X為0.5?I，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本發(fā)明的氮化鉭薄膜在膜厚為150]11]1?400111]1的條件下應(yīng)變因子大于等于3.5，方塊電阻為5 0/口?15 Ω /□，電阻溫度系數(shù)介于一 50ppm?50ppm之間。
[0017]3、本發(fā)明采用離子束濺射沉積+高溫退火相結(jié)合來制備薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜，高溫退火可以降低氮化鉭薄膜的電阻溫度系數(shù)，采用該方法制備的氮化鉭薄膜具有高靈敏系數(shù)及電阻率、低溫度系數(shù)、較高穩(wěn)定性，與基底結(jié)合力強(qiáng)等特點(diǎn)。
[0018]4、采用濺射法工藝制備的氮化鉭薄膜為多種形態(tài)的氮化鉭共存，因此，不同工藝參數(shù)制備的氮化鉭薄膜成分及性能也有差異。進(jìn)一步的，本發(fā)明通過增加輔助離子源輔助沉積、優(yōu)化鍍膜參數(shù)和退火工藝參數(shù)，增加輔助離子源沉積可以補(bǔ)充氮化鉭薄膜在濺射過程中損失的N原子，形成缺陷少，附著力好的薄膜，所制備的薄膜壓力傳感器用應(yīng)變材料制成的氮化鉭薄膜在膜厚為150nm?400nm的條件下應(yīng)變因子大于等于3.5，方塊電阻為5 Ω /□?15 Ω /□，電阻溫度系數(shù)在一50ppm?50ppm之間。這些特性是制備高靈敏度、耐惡劣環(huán)境薄膜壓力傳感器的關(guān)鍵參數(shù)。
【具體實(shí)施方式】
[0019]以下結(jié)合具體優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述，但并不因此而限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0020]實(shí)施例1:
一種本發(fā)明的用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜，該用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜為氮化鉭薄膜。
[0021 ]本實(shí)施例中，氮化鉭薄膜成分為TaN0.56。
[0022]本實(shí)施例中，該氮化鉭薄膜的厚度為350nm。
[0023]不同形態(tài)的氮化鉭性能各異，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氮化鉭薄膜成分越接近Ta2N，則越符合薄膜壓力傳感器用應(yīng)變薄膜要求。本實(shí)施例的氮化鉭薄膜在膜厚為350nm的時(shí)應(yīng)變因子為3.5，方塊電阻為12 Ω/□，電阻溫度系數(shù)為-40ppm，這些特性均是制備高靈敏度、耐惡劣環(huán)境薄膜壓力傳感器的關(guān)鍵參數(shù)。
[0024]—種上述本實(shí)施例的用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜的制備方法，包括以下步驟:
(1)采用離子束濺射沉積方法轟擊氮化鉭靶，在薄膜傳感器所需彈性基底上沉積氮化鉭薄膜預(yù)備層；
(2)對(duì)氮化鉭薄膜預(yù)備層進(jìn)行高溫退火處理，得到用于薄膜壓力傳感器的應(yīng)變薄膜。
[0025]本實(shí)施例中，離子束濺射鍍膜的工藝參數(shù)及工藝過程為:陽(yáng)極電壓為45V，陰極電流為13A，屏柵電壓為600V，束流為50mA，加速電壓為100V，本底真空度為4.9X10—4Pa，工作氣壓為2.4X10—2Pa。在沉積氮化鉭薄膜預(yù)備層的同時(shí)，采用輔助離子源轟擊沉積中的氮化鉭薄膜預(yù)備層，輔助離子源為氬氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w，氮?dú)獾捏w積百分含量為0.1%，輔助離子源采用平行腔的卡夫曼