一種用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及應(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]本發(fā)明的技術(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及其制備方法，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。利用所述方法可制備該各向異性薄膜。
[0006]本發(fā)明提供一種用于面內(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]本發(fā)明還提供一種用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜的制備方法，包括如下步驟:
[0012]步驟1:將絕緣的高分子柔性襯底放置在磁控濺射真空腔室襯底托盤(pán)的加熱器上加熱至預(yù)設(shè)的溫度；
[0013]步驟2:在絕緣的高分子柔性襯底上使用氬氣等離子體和氧氣等離子體進(jìn)行濺射轟擊;
[0014]步驟3:在濺射轟擊后的高分子柔性襯底上使用射頻磁控濺射方法濺射底電極層O
[0015]步驟4:在底電極層表面濺射各向異性薄膜層；
[0016]步驟5:在各向異性薄膜層表面濺射頂電極層。
[0017]上述方法步驟中:
[0018]所述將高分子柔性襯底放置于加熱器上的加熱過(guò)程，需首先開(kāi)啟磁控濺射設(shè)備的旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，然后開(kāi)啟加熱器加熱，加熱到預(yù)設(shè)溫度后需保溫足夠長(zhǎng)的時(shí)間(至少十分鐘)以保證濺射過(guò)程的薄膜均勻性和足夠小的晶粒尺寸。
[0019]所述射頻磁控濺射方法所使用的濺射靶材為與各向異性薄膜材料相同成分的靶材。
[0020]所述各向異性薄膜層中薄膜材料的生長(zhǎng)制備過(guò)程中，對(duì)于氧化物半導(dǎo)體材料需額外通入適當(dāng)流量的氧氣等氣體以保證所生長(zhǎng)的各向異性薄膜材料的化學(xué)成分。
[0021]所述的絕緣的高分子柔性襯底為能夠耐受100°C以上高溫的熱縮性高分子柔性襯底。
[0022]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0023](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>[0024](2)靈敏度明顯優(yōu)于目前的商用金屬薄膜應(yīng)變片；
[0025](3)微加工工藝簡(jiǎn)單；
【附圖說(shuō)明】
[0026]圖1為本發(fā)明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；
[0027]圖2為本發(fā)明中實(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；
[0028]圖3為本發(fā)明中實(shí)施例中各向異性薄膜的電流應(yīng)變響應(yīng)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下結(jié)合附圖和優(yōu)選的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明:
[0030]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。
[0031]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 °C ο
[0032]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。
[0033]本發(fā)明提供的用于面內(nèi)應(yīng)變傳感的各向異性薄膜的制備方法，包括如下步驟:
[0034]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。
[0035]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