一种金属掺杂非晶碳薄膜温度传感元件及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于薄膜温度传感器领域，尤其涉及一种金属掺杂非晶碳薄膜温度传感元 件及其制备方法。
【背景技术】
[0002] 在20世纪，随着集成电路工艺和微电子机械系统（MicroElectroMechanical Systems，简称MEMS)的发展，各种传感器的发展进入了一个新的阶段。其中，温度传感器在 现代信息技术中具有特殊作用，是目前用量最大的一类传感器。
[0003] 薄膜温度传感器是随着薄膜技术的成熟而发展起来的一种新型微传感器，与块体 温度传感器相比较，薄膜温度传感器的敏感元件为μm级的薄膜，具有体积小，热响应时间 短的特点，能够准确测量瞬态温度变化，并且这种传感器精度高，便于集成和安装，适用于 微尺度或小空间的温度测量和表面温度的测量。目前，薄膜温度传感器广泛应用于内燃机 的活塞顶面和燃烧室壁面，枪炮膛内壁，锻膜表面，硅片快速热处理等瞬态的温度测试，并 且在激光束热流量分布，切削刀具工作时的高温变化，激光微加工系统工作机理等研究方 面也得到了长足的发展，具有广阔的应用前景。
[0004] 对于薄膜温度传感材料而言，电阻温度系数TCR是反映材料对温度的灵敏程度的 重要参数，定义为两个不同温度下的试样电阻率变化与温度差之间的比值，单位为PpmK1。
[0005] 金属可作为薄膜温度传感材料，常见的有Pt，Ni，Al，Ag，Ti，Cu以及Au-Pd，Ni-Al， Ni-Fe，Bi-Ag合金等，都是利用金属材料的电阻率随温度升高而增加的原理来进行温度测 量的。一般而言，金属薄膜传感材料测量温度范围广，线性好，性能稳定，但同时金属材料 TCR较小，灵敏度较差，并且金属耐蚀耐磨性能差，这限制了金属薄膜温度传感器在特殊工 况下的温度传感。
[0006] Si薄膜制备成本较低，广泛应用于各种传感器，可满足传感器微型化和集成化趋 势，但普通Si薄膜的机械特性依旧无法满足更加苛刻工况下的温度传感需求。
[0007] 金刚石薄膜尽管具有较高的机械强度，性能稳定，测量温度范围广。但是金刚石膜 沉积条件苛刻，对基体材料有较大的限制，并且粘附性差，这在很大程度上也限制了金刚石 薄膜温度传感器的应用范围。
[0008] 类金刚石碳膜，英文名称为Diamondlikecarbon，简称为DLC，是一类非晶碳 膜的统称，具有优异的化学与机械稳定性，其制备工艺可与微电子工艺兼容，并且作为 NTC(NegativeTemperatureCoefficient)，即负温度系数的导电材料，具有高TCR值，达数 千ppmK\但同时DLC具有高室温电阻率，这对于元件集成带来极大的不利。
[0009] 因此，金属、传统的Si基薄膜以及传统的非晶碳薄膜作为薄膜温度传感材料应用 时，无法同时具有高TCR、适当室温电阻，以及一定摩擦腐蚀防护等要求，因此需要研发新的 薄膜温度传感材料和温度传感元件。
【发明内容】
[0010] 针对上述技术现状，本发明旨在提供一种新型薄膜温度传感元件，其具有电阻率 与TCR值可调的特点，可同时具有高TCR值与优异机械性能。
[0011] 为了实现上述技术目的，本发明人通过大量实验探索后发现，以DLC作为薄膜温 度传感材料，在制备DLC的过程中掺杂金属原子或者金属碳化物，使金属原子或者金属碳 化物分布在主要由C的sp2共价键和sp3共价键形成的不规则的碳空间网基质结构中时，该 薄膜温度传感元件的电子输运是由非晶碳基质中分布的金属原子和/或金属碳化物团簇 间的跳跃机制控制。具体而言，电子输运受到金属原子或者金属碳化物团簇之间的距离以 及团簇尺寸控制，并可能受到导电sp2团簇的影响，因而通过改变sp2共价键和sp3共价键 比例，金属原子和/或金属碳化物团簇之间的距离以及团簇尺寸可调控薄膜温度传感元件 的TCR值，而且通过调控掺杂金属含量，可调控其电阻率和机械特性，从而能够兼具高TCR 值与优异机械性能。
[0012] 因此，本发明所采用的技术方案为：一种金属掺杂非晶碳薄膜温度传感元件，如图 1所示，由基体1、金属掺杂非晶碳薄膜2、电极3组成，金属掺杂非晶碳薄膜2位于基体1表 面，电极3位于金属掺杂非晶碳薄膜2表面。
[0013] 所述的金属掺杂非晶碳薄膜2包含C的金刚石相sp3和石墨相sp2杂化态以及金 属原子和/或金属碳化物，其中金属原子和/或金属碳化物分布在主要由C的sp2共价键 和sp3共价键形成的不规则的碳空间网基质结构中。
[0014] 所述的掺杂金属包括W、Cr、Ti、Ni、Ag、Cu、A1等中的一种或两种以上的组合。
[0015] 所述的基体不限，包括Zr02、Al203、玻璃等。
[0016] 所述的金属掺杂非晶碳薄膜还可以包含Η原子。
[0017] 作为一种实现方式，所述的金属掺杂非晶碳薄膜由C的金刚石相sp3和石墨相sp2 杂化态、金属原子和/或金属碳化物，以及Η原子组成。
[0018] 所述的电极材料包括但不限于Ag、Pt等中的一种或两种以上的组合。
[0019] 通过改变所述金属掺杂非晶碳薄膜中sp2共价键和sp3共价键的比例、金属原子和 /或金属碳化物团簇之间的距离、金属原子尺寸和/或金属碳化物团簇的尺寸，以及掺杂金 属的含量等中的至少一种调控所述金属掺杂非晶碳薄膜温度传感元件的电阻率与TCR值。
[0020] 本发明还提供了一种制备上述金属掺杂非晶碳薄膜温度传感元件的方法，包括如 下步骤：
[0021] 步骤1 :将基体置于真空腔室中，利用氩离子刻蚀基体表面；
[0022] 步骤2 :向镀膜腔室内通入碳氢气体，通过阳极层离子源离化后提供碳源，在基体 表面沉积类金刚石碳膜，同时开启磁控溅射源，通入Ar气，在基体表面溅射沉积金属原子， 离子源电流为〇. 1A~0. 5A，磁控靶电流为1A~8A，基体直流脉冲偏压为-10V~-400V;
[0023] 所述的碳氢气体包括但不限于(：2!12、014、(： 6!16等气体中的一种或两种以上的混合气 体。
[0024] 步骤3 :将步骤2得到的表面沉积金属掺杂非晶碳膜的基体从镀膜腔室中取出，在 金属掺杂非晶碳膜表面涂敷导电银胶，并引入电极线，然后烘干处理。
[0025] 作为优选，所述的步骤2中，靶电流为1. 2A~5A，基体直流脉冲偏压 为-50V~-100V〇
[0026] 作为优选，所述的步骤2中，腔体内气体压力为0.IPa~IPa，更优选为0. 2Pa~ 0. 5Pa〇
[0027] 通过调控步骤2中的工艺参数，如碳源种类、基体直流脉冲偏压以及磁控靶电流 等中的至少一种，能够改变薄膜的sp2和sp3含量，以及金属原子或者金属碳化物团簇的尺 寸与分布，从而对元件的TCR值以及电阻率进行调控。因此，通过调控步骤2中的工艺参 数，能够得到同时具有高TCR以及电阻率可调的温度传感元件，实现温度传感元件的高灵 敏度、宽温度范围适应性。作为优选，通过调节步骤2中的磁控靶电流来调节温度传感元件 的TCR值与电阻率。综上所述，本发明以金属掺杂非晶碳膜为温度传感材料，在基体表面设 置金属掺杂非晶碳膜，在金属掺杂非晶碳膜表面设置电极，组成温度传感元件。与现有的温 度传感元件相比，本发明的温度传感元件具有如下技术优点：
[0028] (1)与金属薄膜传感元件相比，该温度传感元件具有高TCR值，以及更优的耐腐蚀 磨损特性；并且，通过调节工艺参数改变其金属元素含量，能够进一步调控其TCR值和电阻 率，TCR值在80~3150ppmK1范围内可调控；
[0029] (2)与硅薄膜传感元件相比，该温度传感元件具有高弹性模量与硬度等机械特性， 利于MEMs系统的力学稳定性，可以满足苛刻工况下的温度传感需求；
[0030] (3)与金刚石薄膜传感元件相比，通过调节工艺参数能够调控其TCR值和电阻率， 从而获得理想的TCR值和电阻率；另外，该温度传感元件具有更高的结合力，并且对基体材 料的选择更为广泛；
[0031] (4)该温度传感元件在摩擦过程中可以转化为层状石墨，可以起到耐磨减摩的作 用，因而能够适用于接触与摩擦存在的传感应用。
【附图说明】
[0032] 图1是本发明金属掺杂非晶碳温度传感元件的结构示意图；
[0033] 图2是本发明实施例1的温度传感元件的电阻率随温度变化关系图；
[0034] 图3是本发明实施例2的温度传感元件的电阻率随温度变化关系图；
[0035] 图4是本发明实施例3的温度传感元件的电阻率随温度变化关系图；
[0036] 图5是本发明实施例4的温度传感元件的电阻率随温度变化关系图；
[0037] 图6是本发明实施例5的温度传感元件的电阻率随温度变化关系图。
【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图实施例对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施 例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
[0039] 图1中的附图标记为：1_基体，2-金属掺杂非晶碳薄膜，3-电极。
[0040] 实施例1 :
[0041] 本实施例中，温度传感元件结构如图1所示，由A1203基体1、钨掺杂非晶碳薄膜2 以及银胶电极3组成，钨掺杂非晶碳薄膜2位于A1203基体1表面，银胶电极3位于钨掺杂 非晶碳薄膜2表面。
[0042] 钨掺杂非晶碳薄膜2由C的金刚石相sp3和石墨相sp2杂化态、钨原子和/或钨的 碳化物，以及Η原子组成，其中钨原子和/或钨的碳化物分布在主要由C的sp2共价键和sp3 共价键形成的不