一种压力传感器芯体及其制备方法与流程

本发明主要涉及压力测量技术领域，特指一种压力传感器芯体及其制备方法。

背景技术：

目前市场上主流的高温压力传感器芯体以SOI高温压力传感器、SOS高温压力传感器和NiCr金属薄膜高温压力传感器等为主，该类型压阻型压力传感器芯体均以惠斯通电桥为基础，通过硅材料和NiCr金属薄膜的压阻效应，实现传感器芯体对环境压力的测量。硅材料和NiCr金属薄膜等材料在压力作用下发生形变导致电阻值发生变化，由于各电桥间的材料温度系数存在微小的差别，再加上其压阻系数的温度系数也存在差别，造成一定的温漂值，在-55℃-150℃的典型温区内，其温漂普遍在0.03%FS/℃-0.10 %FS/℃，且工作温区越宽，温漂越大，从而影响传感器的精度。另外现有的高温压力传感器芯体由于采用惠斯通电桥结构，因此芯体尺寸较大，目前的主流硅基高温压力传感器芯体尺寸普遍在1.5mm×1.5mm至4mm×4mm之间，而金属溅射薄膜材料基的高温压力传感器由于基底材料采用的导电的不锈钢杯，为了实现良好的绝缘性能，芯体尺寸更大，主流产品直径在15微米左右。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种结构简单、温漂小以及体积小的压力传感器芯体，并相应提供一种操作简便的制备方法。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种压力传感器芯体，包括基片、下电极层、介质层和上电极层，所述下电极层位于所述基片上，所述介质层位于所述下电极层和上电极层之间，所述上电极层与下电极层之间的介质层中设有原子开关；所述原子开关形成的过程为：在所述上电极层和下电极层之间施加一个正向脉冲电压，使上电极层上的金属原子发生化学氧化反应形成金属离子，所述金属离子经所述介质层到达下电极层，得到电子后再发生电化学还原现象，还原成金属原子，并逐渐堆积在下电极层上，形成一条导通上电极层和下电极层的纳米细丝；在所述上电极层和下电极层之间施加一个反向脉冲电压，使所述纳米细丝发生电化学溶解而断开，形成原子开关。

作为上述技术方案的进一步改进：

所述上电极层上设置有电极保护层。

所述介质层为金属氧化物或硫化物薄膜。

所述介质层材料为NiO或TiO2或CuOx或SiO2或ZrO2或Fe2O3或ZnO或ZnS。

所述下电极层材质为惰性金属。

所述上电极层材质为Cu或Ag。

本发明还公开了一种如上所述的压力传感器芯体的制备方法，步骤为：

S01、开始，清洗基片；

S02、在所述基片表面制备下电极层；

S03、在所述下电极层上制备介质层；

S04、在所述介质层上制备上电极层；

S05、在所述上电极层和下电极层之间施加一个正向脉冲电压，使上电极层上的金属原子发生化学氧化反应形成金属离子，所述金属离子经所述介质层到达下电极层，得到电子后再发生电化学还原现象，还原成金属原子，并逐渐堆积在下电极层上，形成一条导通上电极层和下电极层的纳米细丝；

S06、在所述上电极层和下电极层之间施加一个反向脉冲电压，使所述纳米细丝发生电化学溶解而断开，形成原子开关，制备完成。

作为上述技术方案的进一步改进：

在步骤S04中，在所述上电极层上再制备电极保护层。

所述正向脉冲电压大于5V，持续时间在1ms以上；所述反向脉冲电压范围为0.5V～2V，持续时间在1ms以上。

在步骤S02和步骤S04中，制备上电极层和下电极层的方法为磁控溅射、离子束溅射或脉冲激光沉积；在步骤S03中，制备介质层的方法为磁控溅射、离子束溅射、脉冲激光沉积、热蒸发或电子束蒸发。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明的压力传感器芯体，在上电极层和下电极层之间的介质层中形成原子开关，在环境压力下，该原子开关会随着压力的增大，开关间距越来越小，直到闭合导通；同时，原子开关的间距越小，正负电极间的电阻值也就相应减小，直到开关闭合导通后，电阻值会发生几个数量级的突变，达到最小值并保持不变；压力释放后，原子开光又能迅速恢复打开状态；在原子开关闭合的情况下，上电极层和下电极层间的电阻相当于一个由纳米金属细丝形成的很小电阻和一个由介质层形成的很大电阻的串联，由于介质层的电阻率特别大，因此金属细丝的电阻对总电阻的影响极小；当外界环境压力值发生变化时，这种原子开关的原子层间隙会发生变化，导致电极间的电阻值发生明显变化；由于金属氧化物或硫化物等介质层材料的电阻率非常大，导致由原子层间隙的改变引起的电阻值变化也特别大，因此纳米级别的介质层材料和金属纳米细丝由于温度系数引起的电阻变化相对而言就可以忽略不计；因此，芯体的温漂非常小，温漂指标小于0.005%FS/℃；其次，由于压力传感器芯体不采用惠斯通电桥的形式，而且形成的金属纳米细丝尺寸最大处也只数百纳米，体积也可以实现微米级。本发明的压力传感器芯体，介质层采用金属氧化物或硫化物材质，由于此种金属氧化物在高温有氧环境下形成的，因此在高温有氧环境下具有很高的稳定性，从而使芯体具有耐高温的特性，最高使用温度可达到280℃。本发明的压力传感器芯体的制备方法，操作简便、易于实现。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的离子开关工作示意图。

图3为发明的方法流程图。

图中标号表示：1、基片；2、下电极层；3、介质层；4、上电极层；5、电极保护层。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。

如图1和图2所示，本实施例的压力传感器芯体，包括基片1、下电极层2、介质层3和上电极层4，下电极层2位于基片1上，介质层3位于下电极层2和上电极层4之间，上电极层4与下电极层2之间的介质层3中设有原子开关；原子开关形成的过程为：在上电极层4和下电极层2之间施加一个正向脉冲电压，使上电极层4上的金属原子发生化学氧化反应形成金属离子，金属离子经介质层3到达下电极层2，得到电子后再发生电化学还原现象，还原成金属原子，并逐渐堆积在下电极层2上，形成一条导通上电极层4和下电极层2的纳米细丝；在上电极层4和下电极层2之间施加一个反向脉冲电压，使纳米细丝发生电化学溶解而断开，形成原子开关。本发明的压力传感器芯体，在上电极层4和下电极层2之间的介质层3中形成原子开关，在原子开关闭合的情况下，上电极层4和下电极层2间的电阻相当于一个由纳米金属细丝形成的很小电阻和一个由介质层3形成的很大电阻的串联，由于介质层3的电阻率特别大，因此金属细丝的电阻对总电阻的影响极小；当外界环境压力值发生变化时，这种原子开关的原子层间隙会发生变化，导致电极间的电阻值发生明显变化；由于金属氧化物或硫化物等介质层3材料的电阻率非常大，导致由原子层间隙的改变引起的电阻值变化也特别大，因此纳米级别的介质层3材料和金属纳米细丝由于温度系数引起的电阻变化相对而言就可以忽略不计；因此，芯体的温漂非常小，温漂指标小于0.005%FS/℃；其次，由于压力传感器芯体不采用惠斯通电桥的形式，而且形成的金属纳米细丝尺寸最大处也只数百纳米，体积也可以实现微米级，或者在微小体积下实现压力传感器的阵列化，通过多组压力传感器芯体的同一压力值采集，通过计算处理后能进一步提高压力传感器的输出精度。

本实施例中，上电极层4上设置有电极保护层5，用于保护上电极层4被空气氧化。

本实施例中，介质层3为金属氧化物或硫化物薄膜，具体为NiO或TiO2或CuOx或SiO2或ZrO2或Fe2O3或ZnO或ZnS中的一种，厚度范围为20-200 nm；下电极层2为Pt、Ir、W或Au等惰性金属，厚度约为120nm；上电极层4材质为Cu、Ag或Ni等其它易发生电化学氧化还原反应的金属，厚度约为100nm；基片1（图中的衬底层）为硅基片或玻璃基片或陶瓷基片。

如图3所示，本发明还相应公开了一种如上所述压力传感器芯体的制备方法，步骤为：

S01、开始，清洗基片1；

S02、在基片1表面制备下电极层2；

S03、在下电极层2上制备介质层3；

S04、在介质层3上制备上电极层4；

S05、在上电极层4和下电极层2之间施加一个正向脉冲电压，使上电极层4上的金属原子发生化学氧化反应形成金属离子，金属离子经介质层3到达下电极层2，得到电子后再发生电化学还原现象，还原成金属原子，并逐渐堆积在下电极上，形成一条导通上电极层4和下电极层2的纳米细丝；

S06、在上电极层4和下电极层2之间施加一个反向脉冲电压，使纳米细丝发生电化学溶解而断开，形成原子开关，制备完成。

本实施例中，在步骤S04中，在上电极层4上再制备电极保护层5，以对上电极层4进行保护，防止被氧化，电极保护层5为金属Cu；

本实施例中，清洗基片1的具体过程为：用分析纯度的丙酮、无水乙醇依次分别超声清洗基片15 min；再用去离子水冲洗基片1表面5 min，然后用氮气吹干。

下面结合一实施例对本发明中的原子开关形成过程做进一步说明：

以上电极层4为Cu，介质层3为ZnS，下电极层2为Pt或W为例，在上电极层4上施加正电压脉冲，会有Cu²⁺离子开始沿着电场方向在介质层3内向惰性阴极（下电极层2）方向迁移。当Cu²⁺离子接触到惰性阴极时得到电子而被还原，于是沉积在惰性电极表面。一旦开始有Cu颗粒沉积于阴极表面，介质层3内的电场分布发生变化，Cu沉积处的高电场会导致更多Cu²⁺离子迁移至此并被还原，于是逐渐形成一条由阴极通向阳极的细丝，在导电细丝完整形成的瞬间关闭施加的电压，此时就在介质层3内部形成了一条极细的纳米导电细丝。然后，在惰性的下电极层2上施加正向电压脉冲，由于纳米细丝最细小处仅数个原子，在电压脉冲下，化学性质活泼的Cu原子形成离子后扩散进介质层3，另外，纳米细丝内通过电流时发热严重，特别是纳米细丝最细小薄弱处，因此过热的环境导致此处的原子发生扩散，随着Cu原子的不断往外扩散，最终导致导电细丝溶解而断开，形成原子开关。

其中电化学金属化（Electrochemical Metallization）效应可简写为ECM效应，也被称作导通桥联（Conductive Bridging）效应或者可编程金属化（Programmable Metallization Cell）效应。单个ECM单元的其中一个金属电极为电化学活性金属材料，如Ag、Cu或者Ni，另外一个金属电极为惰性金属电极，如Pt、Ir、W或者Au，中间的介质层3为固体电解质材料，可以允许金属离子在介质层3中迁移。如图2所示，为一个典型的ECM单元工作原理示意图。在初始情况下，ECM单元处于如图中D）位置所示的关断状态。其中A）置位-B）开态-C）复位-D）关态的原理示意图分别如图所示，可以看到ECM单元的开启与关断是基于Ag+离子在固态电解质层中的沉积与溶解，导致导电细丝的形成与破坏，如本例中的Ag电极，施加正电压，会有Ag+离子开始沿着电场方向在电解质内向惰性阴极方向迁移。当Ag+离子接触到惰性阴极时得到电子被还原，于是沉积在惰性电极表面。一旦开始有Ag颗粒沉积于阴极表面，电解质内的电场分布发生变化，Ag沉积处的高电场会导致更多Ag+离子迁移至此并被还原，于是逐渐形成一条由阴极通向阳极的细丝，如A）所示，在导电细丝完整形成的瞬间为置位过程，此时ECM单元的阻态迅速由高阻变为低阻。最终，电流由细丝流过，ECM单元达到开启状态，如B）所示。而此时当Ag电极加反向电压，会导致导电细丝的溶解破坏，即复位过程，如图C）所示，此时ECM单元的阻态迅速由低阻变为高阻。最终器件达到关断状态，如D）所示。

本实施例中，正向脉冲电压大于5V，持续时间在1ms以上；反向脉冲电压范围为0.5V～2V，持续时间在1ms以上。

本实施例中，在步骤S02和步骤S04中，制备上电极层4和下电极层2的方法为磁控溅射、离子束溅射或脉冲激光沉积；在步骤S03中，制备介质层3的方法为磁控溅射、离子束溅射、脉冲激光沉积、热蒸发或电子束蒸发。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。