一種金屬摻雜非晶碳薄膜溫度傳感元件及其制備方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于薄膜溫度傳感器領域，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】
[0002] 在20世紀，隨著集成電路工藝和微電子機械系統（MicroElectroMechanical Systems，簡稱MEMS)的發展，各種傳感器的發展進入了一個新的階段。其中，溫度傳感器在 現代信息技術中具有特殊作用，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的成熟而發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，熱響應時間 短的特點，能夠準確測量瞬態溫度變化，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用于內燃機 的活塞頂面和燃燒室壁面，槍炮膛內壁，鍛膜表面，硅片快速熱處理等瞬態的溫度測試，并 且在激光束熱流量分布，切削刀具工作時的高溫變化，激光微加工系統工作機理等研究方 面也得到了長足的發展，具有廣闊的應用前景。
[0004] 對于薄膜溫度傳感材料而言，電阻溫度系數TCR是反映材料對溫度的靈敏程度的 重要參數，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 膜的統稱，具有優異的化學與機械穩定性，其制備工藝可與微電子工藝兼容，并且作為 NTC(NegativeTemperatureCoefficient)，即負溫度系數的導電材料，具有高TCR值，達數 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、傳統的Si基薄膜以及傳統的非晶碳薄膜作為薄膜溫度傳感材料應用 時，無法同時具有高TCR、適當室溫電阻，以及一定摩擦腐蝕防護等要求，因此需要研發新的 薄膜溫度傳感材料和溫度傳感元件。

【發明內容】

[0010] 針對上述技術現狀，本發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值可調的特點，可同時具有高TCR值與優異機械性能。
[0011] 為了實現上述技術目的，本發明人通過大量實驗探索后發現，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共價鍵形成的不規則的碳空間網基質結構中時，該 薄膜溫度傳感元件的電子輸運是由非晶碳基質中分布的金屬原子和/或金屬碳化物團簇 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簇之間的距離以 及團簇尺寸控制，并可能受到導電sp2團簇的影響，因而通過改變sp2共價鍵和sp3共價鍵 比例，金屬原子和/或金屬碳化物團簇之間的距離以及團簇尺寸可調控薄膜溫度傳感元件 的TCR值，而且通過調控摻雜金屬含量，可調控其電阻率和機械特性，從而能夠兼具高TCR 值與優異機械性能。
[0012] 因此，本發明所采用的技術方案為：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共價鍵形成的不規則的碳空間網基質結構中。
[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、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 /或金屬碳化物團簇之間的距離、金屬原子尺寸和/或金屬碳化物團簇的尺寸，以及摻雜金 屬的含量等中的至少一種調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 :向鍍膜腔室內通入碳氫氣體，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] 所述的碳氫氣體包括但不限于(：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電銀膠，并引入電極線，然后烘干處理。
[0025] 作為優選，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] 作為優選，所述的步驟2中，腔體內氣體壓力為0.IPa~IPa，更優選為0. 2Pa~ 0. 5Pa〇
[0027] 通過調控步驟2中的工藝參數，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簇的尺 寸與分布，從而對元件的TCR值以及電阻率進行調控。因此，通過調控步驟2中的工藝參 數，能夠得到同時具有高TCR以及電阻率可調的溫度傳感元件，實現溫度傳感元件的高靈 敏度、寬溫度范圍適應性。作為優選，通過調節步驟2中的磁控靶電流來調節溫度傳感元件 的TCR值與電阻率。綜上所述，本發明以金屬摻雜非晶碳膜為溫度傳感材料，在基體表面設 置金屬摻雜非晶碳膜，在金屬摻雜非晶碳膜表面設置電極，組成溫度傳感元件。與現有的溫 度傳感元件相比，本發明的溫度傳感元件具有如下技術優點：
[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，以及更優的耐腐蝕 磨損特性；并且，通過調節工藝參數改變其金屬元素含量，能夠進一步調控其TCR值和電阻 率，TCR值在80~3150ppmK1范圍內可調控；
[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系統的力學穩定性，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，通過調節工藝參數能夠調控其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用。
【附圖說明】
[0032] 圖1是本發明金屬摻雜非晶碳溫度傳感元件的結構示意圖；
[0033] 圖2是本發明實施例1的溫度傳感元件的電阻率隨溫度變化關系圖；
[0034] 圖3是本發明實施例2的溫度傳感元件的電阻率隨溫度變化關系圖；
[0035] 圖4是本發明實施例3的溫度傳感元件的電阻率隨溫度變化關系圖；
[0036] 圖5是本發明實施例4的溫度傳感元件的電阻率隨溫度變化關系圖；
[0037] 圖6是本發明實施例5的溫度傳感元件的電阻率隨溫度變化關系圖。
【具體實施方式】
[0038] 下面結合附圖實施例對本發明作進一步詳細描述，需要指出的是，以下所述實施 例旨在便于對本發明的理解，而對其不起任何限定作用。
[0039] 圖1中的附圖標記為：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，溫度傳感元件結構如圖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、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