一種用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及應(yīng)變傳感器件、應(yīng)變開(kāi)關(guān)器件中的傳感薄膜材料及其制備技術(shù)領(lǐng)域，尤其是涉及一種電阻各向異性薄膜及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]應(yīng)變傳感技術(shù)被廣泛的應(yīng)用于工程和科研領(lǐng)域，如工程結(jié)構(gòu)分析、材料力學(xué)等。其中貼片式應(yīng)變傳感，即應(yīng)變片的應(yīng)用最為廣泛。應(yīng)變片是利用金屬薄膜的歐姆定律制成的，其特點(diǎn)是靈活度高，精度好。但缺點(diǎn)是金屬薄膜需有一定的長(zhǎng)度來(lái)滿足器件電阻的需求，一般應(yīng)變片的幾何尺寸在毫米級(jí)，而且其電極引線布置與傳感材料本身在同一個(gè)平面，這兩方面原因?qū)е缕淇臻g分辨率有限，測(cè)量精度也相對(duì)有限，難以進(jìn)行高分辨率的陣列化集成使用。常用的應(yīng)變片靈敏度:Gauge Factor = 2。
[0003]利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)或者壓電半導(dǎo)體材料中壓電電荷對(duì)電極接觸電阻的調(diào)控效應(yīng)可以獲得較高的應(yīng)變傳感靈敏度。研宄表明其應(yīng)變靈敏度:Gauge Factor—般能達(dá)到幾百甚至上千的量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于應(yīng)變片。而且該類(lèi)材料用于傳感時(shí)的幾何尺寸通常較小，一般幾微米至幾百微米尺度即可滿足應(yīng)變傳感的需求。
[0004]隨著大型結(jié)構(gòu)設(shè)備從基于強(qiáng)度的設(shè)計(jì)制造向基于失效模式、基于風(fēng)險(xiǎn)的設(shè)計(jì)制造理念的轉(zhuǎn)變，應(yīng)變測(cè)量數(shù)據(jù)的采集和積累，尤其是應(yīng)變場(chǎng)數(shù)據(jù)測(cè)量需求的增加，促進(jìn)了高分辨率、高靈敏度應(yīng)變傳感器的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本實(shí)用新型的技術(shù)目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足以及應(yīng)變測(cè)量需求，提供一種用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜，利用該薄膜可實(shí)現(xiàn)面內(nèi)應(yīng)變的高靈敏精度及高空間分辨率的傳感。
[0006]本實(shí)用新型提供一種用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜，所述薄膜包括在高分子柔性襯底上制備的底電極層、各向異性薄膜層和頂電極層，測(cè)量時(shí)，電流沿頂電極層和底電極層從各向異性薄膜層厚度方向流過(guò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)平行于各向異性薄膜層方向的變形進(jìn)行測(cè)量。
[0007]所述的各向異性薄膜層為一層帶有壓阻特性的半導(dǎo)體薄膜或?yàn)閴弘姲雽?dǎo)體薄膜，為η型半導(dǎo)體或者是P型半導(dǎo)體。對(duì)于壓電半導(dǎo)體薄膜，同時(shí)具有壓電和半導(dǎo)體特性，壓電半導(dǎo)體薄膜的厚度方向?yàn)閴弘娤禂?shù)最高的方向。
[0008]所述的各向異性薄膜層具有典型的緊密排列柱狀晶結(jié)構(gòu)。晶界排列的一致取向性使得各向異性薄膜層在沿晶界方向的電阻率較小而垂直晶界方向的電阻率很大，即在各向異性薄膜層平面內(nèi)具有超高的電阻率甚至絕緣，在各向異性薄膜層厚度方向電阻率較小，實(shí)現(xiàn)薄膜電阻率各向異性的特征。
[0009]所述各向異性薄膜層的厚度為10nm至2 μπι之間；各向異性薄膜層面積為0.0 Imm2至 150mm2之間。
[0010]所述頂電極層和底電極層的導(dǎo)電材料可選擇金、鉑、氧化銦錫等材料，厚度均為100至200納米，電阻控制在IkD以下。
[0011]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0012](I)以材料壓電壓阻傳感原理代替歐姆定律，平面內(nèi)布置的電極變?yōu)樯舷虏贾?，利于傳感單元的高密度集成?br>[0013](2)靈敏度明顯優(yōu)于目前的商用金屬薄膜應(yīng)變片；
[0014](3)微加工工藝簡(jiǎn)單。
【附圖說(shuō)明】
[0015]圖1為本實(shí)用新型中采用射頻磁控濺射法制備用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜的過(guò)程示意圖；
[0016]圖2為本實(shí)用新型中實(shí)施例中將各向異性薄膜用于應(yīng)變傳感的結(jié)構(gòu)示例圖；
[0017]圖3為本實(shí)用新型中實(shí)施例中各向異性薄膜的電流應(yīng)變響應(yīng)曲線。
[0018]圖中:
[0019]1-高分子柔性襯底層；2_底電極層；3_各向異性薄膜層；4_頂電極層。
【具體實(shí)施方式】
[0020]以下結(jié)合附圖和優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明:
[0021]本實(shí)施例中為方便測(cè)量各向異性薄膜的應(yīng)變傳感的力電耦合性能，在薄膜上下表面各增加了電極制備的工藝步驟。
[0022]本實(shí)施例中，采用聚酰亞胺或者聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯作為高分子柔性襯底材料，其中聚酰亞胺的耐受溫度上限為300°C、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯的耐受溫度上限為180。。。
[0023]將高分子柔性襯底材料依次使用去離子水、無(wú)水乙醇、丙酮、異丙醇進(jìn)行超聲波清洗，每種溶液清洗時(shí)間約15min。隨后將高分子柔性襯底置于鼓風(fēng)干燥箱中在60°C干燥空氣下烘干。
[0024]本實(shí)用新型提供的用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜的制備方法，包括如下步驟:
[0025]步驟1:如圖1所示，將清洗干燥后的高分子柔性襯底放置在磁控濺射真空室的樣品托盤(pán)上。使用真空膠帶將高分子柔性襯底的邊角黏貼于托盤(pán)上，以固定高分子柔性襯底。關(guān)閉真空室并抽真空至本底真空l(shuí)(T4Pa。開(kāi)啟托盤(pán)轉(zhuǎn)盤(pán)，開(kāi)啟加熱器對(duì)高分子柔性襯底加熱，溫度達(dá)到150°C后，保持溫度至少lOmin。
[0026]步驟2:向真空室中通入氬氣，開(kāi)啟射頻電源，調(diào)整功率至100W，使用氬氣等離子體對(duì)高分子柔性襯底表面進(jìn)行轟擊清洗5min后關(guān)閉電源，停止通入氬氣；向真空室中通入氧氣，開(kāi)啟射頻電源，調(diào)整功率至100W，使用氧氣等離子體對(duì)高分子柔性襯底表面進(jìn)行轟擊清洗5min后關(guān)閉電源，停止通入氧氣。
[0027]步驟3:采用射頻磁控濺射方法在高分子柔性襯底上濺射低電阻率導(dǎo)電材料作為底電極層，導(dǎo)電材料可選擇金、鉑、氧化銦錫等材料。底電極層的厚度控制在100至200納米，電阻控制在IkD以下。厚度控制可通過(guò)提高濺射功率和延長(zhǎng)濺射時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)，電阻控制可通過(guò)控制通入的氧氣量和調(diào)整基板溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)。
[0028]步驟4:采用射頻磁控濺射方法在底電極層表面濺射各向異性薄膜層，本實(shí)施例中選用氧化鋅壓電半導(dǎo)體材料。濺射過(guò)程為:選用高純度氧化鋅材料作為濺射靶材，向真空室中通入氬氣、氧氣混合氣體(通入比例:9:1，總氣壓:0.5Pa)，開(kāi)啟射頻電源，調(diào)整功率至100W，開(kāi)始氧化鋅薄膜的濺射的連續(xù)生長(zhǎng)，生長(zhǎng)過(guò)程中始終保持氣體通入比例、氣壓和功率的持續(xù)和恒定。當(dāng)濺射生長(zhǎng)的氧化鋅薄膜厚度達(dá)到Iym至2 μπι后關(guān)閉電源，停止通入氣體。得到各向異性氧化鋅薄膜層。
[0029]步驟5:采用射頻磁控濺射方法在各向異性氧化鋅薄膜層上濺射低電阻率導(dǎo)電材料作為頂電極層，導(dǎo)電材料可選擇金、鉑、氧化銦錫等材料。頂電極層的厚度控制在100至200納米，電阻控制在IkQ以下。
[0030]圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例中制得的帶有底電極和頂電極的各向異性薄膜的結(jié)構(gòu)示意圖，所述的各向異性薄膜結(jié)構(gòu)，包括在高分子柔性襯底層I上依次制備的底電極層2、各向異性薄膜層3和頂電極層4。所述的頂電極層4和底電極層2采用相同的導(dǎo)電材料，所述的各向異性薄膜層3具有典型的緊密排列柱狀晶結(jié)構(gòu)。各向異性薄膜層3厚度為10nm至2μπι之間。所述的各向異性薄膜層3的面積可以制備到0.0lmm2至150mm2之間；所述頂電極層4和底電極層I的厚度均為100至200納米，電阻控制在IkQ以下。
[0031]圖3為對(duì)各向異性薄膜的頂電極和底電極施加固定電壓后，測(cè)量得到的通過(guò)底電極和頂電極的電流隨應(yīng)變的響應(yīng)曲線?？梢钥闯?，該各向異性薄膜層對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)靈敏度Gauge Factor可達(dá)到100以上，明顯高于金屬應(yīng)變片(Gauge Factor 一般為2)。
[0032]本實(shí)用新型提供的用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性膜具有壓阻特性或同時(shí)具備壓電和半導(dǎo)體特性，而且其電阻率在厚度和薄膜面內(nèi)具有各向異性特性。該薄膜利用泊松比可將平面內(nèi)的變形轉(zhuǎn)變?yōu)殡x面變形，測(cè)量該離面變形所引起的薄膜表觀電阻變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)平面內(nèi)的應(yīng)變傳感。該薄膜改變了應(yīng)變傳感薄膜平面內(nèi)布置電極的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將電極布置于薄膜上下形成三維立體的結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)減小器件尺寸，提高空間分辨率的目的。該薄膜的電阻率各向異性特性，使得利用該薄膜進(jìn)行陣列化應(yīng)變測(cè)量成為可能。較大的面內(nèi)電阻率避免了相鄰傳感單元之間的串?dāng)_問(wèn)題，適中的離面電阻率便于應(yīng)變傳感過(guò)程中電流的精確測(cè)量。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜，其特征在于:所述薄膜包括在高分子柔性襯底上制備的底電極層、各向異性薄膜層和頂電極層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜，其特征在于:所述各向異性薄膜層的厚度為10nm至2 μπι之間；各向異性薄膜層面積為0.0lmm2至150mm2之間；所述頂電極層和底電極層的厚度均為100至200納米，電阻控制在IkQ以下。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜，其特征在于:所述的各向異性薄膜層為一層帶有壓阻特性的半導(dǎo)體薄膜或?yàn)閴弘姲雽?dǎo)體薄膜，為η型半導(dǎo)體或者是P型半導(dǎo)體；對(duì)于壓電半導(dǎo)體薄膜，同時(shí)具有壓電和半導(dǎo)體特性，壓電半導(dǎo)體薄膜的厚度方向?yàn)閴弘娤禂?shù)最高的方向；所述的各向異性薄膜層具有柱狀晶結(jié)構(gòu)；晶界排列的一致取向性使得各向異性薄膜層實(shí)現(xiàn)薄膜電阻率各向異性的特征。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜，其特征在于:所述頂電極層和底電極層的導(dǎo)電材料選擇金、鉑或氧化銦錫。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜，其特征在于:高分子柔性襯底材料采用聚酰亞胺或者聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜，所述薄膜包括在高分子柔性襯底上制備的底電極層、各向異性薄膜層和頂電極層；所述各向異性薄膜層的厚度為100nm至2μm之間；各向異性薄膜層面積為0.01mm2至150mm2之間；所述頂電極層和底電極層的厚度均為100至200納米。本實(shí)用新型以材料壓電壓阻傳感原理代替歐姆定律，平面內(nèi)布置的電極變?yōu)樯舷虏贾?，利于傳感單元的高密度集成；靈敏度明顯優(yōu)于目前的商用金屬薄膜應(yīng)變片。
【IPC分類(lèi)】G01B7/16, H01L41/08
【公開(kāi)號(hào)】CN204632810
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520332853
【發(fā)明人】宋明, 徐彤
【申請(qǐng)人】中國(guó)特種設(shè)備檢測(cè)研究院
【公開(kāi)日】2015年9月9日
【申請(qǐng)日】2015年5月21日