薄膜电阻和薄膜传感器的制作方法

本发明涉及一种薄膜电阻以及一种具有薄膜电阻的薄膜传感器。

背景技术：

薄膜电阻可以具有压阻层，在该压阻层上布置有两个电极。在薄膜传感器中，薄膜电阻施加在膜片上，该膜片固定在载体上并且可以相对于载体振荡或者可以相对于载体弯曲。

为了能够实现薄膜传感器的高测量精度，应该避免在测量期间在薄膜电阻与膜片或载体之间形成机械应力。机械应力例如可以由于不同的热膨胀系数而形成。

此外，薄膜电阻应该具有高的灵敏度，以便例如在压力测量时能够实现高的测量精度。在压阻传感器的情况下，灵敏度可以通过也称为“应变系数”的k系数来表示。该k系数描述了压阻层的相对电阻变化与相对长度变化之间的比值。k系数定义为k=（△r/r）/（△l/l）。在此，r表示压阻层的电阻，l表示压阻层的长度并且△r表示在△l的长度变化的情况下的电阻变化。

在压力传感器中，薄膜电阻通常遭受环状的弯曲应力。因此需要的是，薄膜电阻具有良好的机械稳定性。出于该原因，薄膜电阻应该优选地具有小的弹性模量。

技术实现要素：

本发明的任务是说明一种改进的薄膜电阻。该薄膜电阻应该优选地满足上述要求。此外，该薄膜电阻应该优选地能够应用于高压力范围、例如应用于高达1000bar的压力，并且应用于高温范围、例如应用于高达300℃的温度。

该任务通过根据当前权利要求1的薄膜电阻来解决。

提出一种薄膜电阻，其具有压阻层，该压阻层具有m1+naxn相，其中m具有至少一种过渡金属，a具有主族元素，x具有碳和/或氮并且其中n=1、2或3。

m1+naxn相以六角形层结构结晶。m1+naxn相具有m6x八面体，所述m6x八面体以由a原子构成的层来交替。对于n=1存在211相，对于n=2存在312相并且对于n=3存在413相，其中a层通过2、3或4个八面体层来分开。

m1+naxn相具有不同的特性，基于这些特性，m1+naxn相特别好地适合于应用在薄膜电阻的压阻层中。m1+naxn相具有金属导电性并且是高温稳定的。相应地，m1+naxn相能够实现薄膜电阻在高温下使用。

m1+naxn相的热膨胀系数可以通过相应地选择m1+naxn相的材料而匹配于膜片和载体的膨胀系数，使得基于彼此协调的膨胀系数，即使在温度变化大的情况下也不形成机械应力。相应地，可以显著减小薄膜传感器的温度交叉灵敏度。由此可以显著改进薄膜传感器的寿命，因为薄膜电阻即使在大数量的弯曲循环之后仍不受到损坏。

压阻层可以由m1+naxn相构成或者除了max相之外还具有其他成分。例如，压阻层可以具有由m1+naxn相和氧化物、氮化物或碳化物构成的混合物。

m1+naxn相可以是纯的m1+naxn相或是混合晶体。在纯的m1+naxn相的情况下，m由唯一的过渡金属构成并且x由碳或氮构成。在混合晶体（m1，m2）1+naxn的情况下，m由两种过渡金属m1、m2构成。替代地或补充地，成分x可以具有碳和氮，使得得出具有组成m1+na（cyn1-y）n和0<y<1的混合晶体。也可能的是混合晶体（m1，m2）1+na（cyn1-y）n，其中m由两种过渡金属m1、m2构成并且成分x具有碳和氮。

通过使用混合晶体（m1，m2）1+naxn、m1+na（cyn1-y）n或（m1，m2）1+na（cyn1-y）n，压阻层的物理特性可以在宽的范围内调节。通过使用混合晶体，比这对于由纯的m1+naxn相构成的压阻层来说可以实现压阻层的更大的硬度和弱的导电性。因此，压阻层的对于其应用在薄膜传感器中来说重要的特性、诸如层的热膨胀系数、导电性、压阻效应和硬度可以以期望的方式进行调节。

m可以具有sc、ti、v、cr、mn、zr、nb、mo、hf和ta中的至少一个。a可以是al、si、p、s、ga、ge、as、cd、in、sn、tl、pb和bi中之一。

压阻层可以由m1+naxn相构成。相应地，压阻层可以除了m1+naxn相之外不具有其他成分。

替代地，压阻层可以除了m1+naxn相之外还具有氧化物、氮化物或碳化物。

在此，m1+naxn相可以与氧化物、氮化物或碳化物混合成固体混合物。由m1+naxn相与氧化物、氮化物或碳化物中之一构成的固体混合物能够是有利的，以便相对于纯的m1+naxn相减小压阻层的导电性并且提高压阻效应。此外，通过层的组成可以以期望的方式影响热膨胀系数。

与氧化物、氮化物或碳化物一起形成固体混合物的m1+naxn相可以是纯的m1+naxn相或者是混合晶体（m1，m2）1+naxn、m1+na（cyn1-y）n或（m1，m2）1+na（cyn1-y）n。

如果压阻层由m1+naxn相和氧化物构成，则氧化物可以至少部分作为压阻层的表面氧化物存在。氧化物可以形成m1+naxn相的晶粒上的稳定的表面氧化物。通过形成稳定的表面氧化物，可以提高层的电阻值并且优化压阻效应，例如在氧化物的晶界势垒处的隧道效应中出现。

压阻层可以具有8ppm/k和14ppm/k之间的热膨胀系数。优选地，热膨胀系数处于9ppm/k和12ppm/k之间。所述膨胀系数对应于通常用于膜片和载体的材料的热膨胀系数，在所述膜片或载体上布置薄膜电阻。通过将薄膜电阻的热膨胀系数匹配于膜片和载体的热膨胀系数，可以避免在温度变化下产生机械应力。

压阻层在20℃的温度下可以具有大于1μω/m的比电阻。相应地，压阻层可以在室温下在小的噪声的情况下具有高的灵敏度。

压阻层可以具有大于2的k系数。k系数表示压阻层的相对电阻变化△r/r与相对长度变化△l/l的比值。大于2的k系数与压阻层的高灵敏度是同义的。

根据另一方面，本发明涉及一种薄膜传感器，其具有上述薄膜电阻。

薄膜传感器可以具有膜片和载体，在该膜片上布置有薄膜电阻，膜片固定在该载体上，使得膜片可以相对于载体运动。尤其是，膜片可以设计成，相对于载体振荡和/或相对于载体弯曲。

薄膜传感器可以具有多个上述薄膜电阻，这些薄膜电阻相互连接成桥电路，作为全桥或半桥。薄膜电阻可以至少部分地设计成桥或半桥。

薄膜电阻之一可以为了测量温度而布置在载体或膜片的以下区域中，该区域相比载体或膜片的其他区域经历更小的形变。为了测量温度而在其中布置有薄膜电阻的区域优选地仅仅经历小的弯曲。

膜片和载体可以具有不锈钢或钇稳定化的锆石。压阻层可以被设计成，使得其热膨胀系数与这些材料的热膨胀系数相同或者至少与这些材料的热膨胀系数仅有轻微不同。因为压阻层具有m1+naxn相，所以可以将压阻层设计成，使得其热膨胀系数匹配于膜片和载体的材料。

替代地，膜片和载体可以由m1+naxn相构成，其中m具有至少一种过渡金属，a具有主族元素，x具有碳和/或氮，并且其中n=1、2或3。在此可以涉及与压阻层所具有的相同的m1+naxn相。替代地，可以涉及m1+naxn相，其与压阻层的m1+naxn相不同。薄膜传感器还可以具有绝缘体，该绝缘体将压阻层与载体和膜片绝缘。如果压阻层以及膜片和载体具有相同材料，则排除由于不同的热膨胀系数而产生的机械应力。由此能够实现薄膜传感器的长的寿命。绝缘体可以防止电流从压阻层流至膜片。即使膜片和载体或压阻层所具有的m1+naxn相彼此不同，其热膨胀系数也彼此非常近似。

附图说明

下面根据附图解释本发明。

图1示出根据第一实施例的薄膜传感器。

图2示出根据第二实施例的薄膜传感器。

图3示出根据第三实施例的薄膜传感器。

具体实施方式

图1示出具有薄膜电阻2的薄膜传感器1，该薄膜电阻具有压阻层3。薄膜电阻2还具有两个电极4。电极4布置在压阻层3的相对端部上。

薄膜传感器1具有膜片5和载体6。膜片5固定在载体6上，使得膜片5可以相对于载体6运动。尤其是，膜片5可以相对于载体6振荡。在此，膜片5的中间区域可以弯曲。薄膜电阻2布置在膜片5上。对此，压阻层3可以直接沉积在膜片5上。尤其是，薄膜电阻2布置在膜片5的相对于载体6可运动的区域中。

如果现在膜片5由于施加在其上的压力而形变，则这导致压阻层3的形变。在此，由于压电效应而产生电信号，该电信号可以由电极4检测。

优选地，薄膜传感器1具有四个薄膜电阻2，它们连接成电阻桥。电阻桥优选地是惠斯登桥。基于从这些薄膜电阻2检测的电信号，可以计算出施加到薄膜传感器1上的压力。

在此描述的薄膜传感器1除了适合于测量压力之外还适合于测量力以及测量膜片5的膨胀。

压阻层3可以具有m1+naxn相。在此，压阻层3可以具有纯的m1+naxn相或混合相（m1，m2）1+naxn、m1+na（cyn1-y）n或（m1，m2）1+na（cyn1-y）n。压阻层3可以由m1+naxn相构成或者具有由m1+naxn相与氧化物、氮化物或碳化物构成的混合物。

膜片5和载体6可以具有不锈钢或钇稳定化的锆石。压阻层3具有仅仅与膜片5和载体6的热膨胀系数略微不同的热膨胀系数。替代地，膜片5和载体6也可以具有陶瓷材料或金属或者由陶瓷材料或金属构成。

在图1中示出的压阻层3是长方体形。替代地，压阻层3可以是蜿蜒形的。蜿蜒形相对于长方体形具有在相同体积下在两个电极4之间的更大的长度的优点。

图2示出薄膜传感器1的第二实施例。在此，膜片5和载体6由与压阻层3相同的材料构成。为了避免膜片5与压阻层3之间的电短路，还在压阻层3和膜片5之间布置绝缘体7。绝缘体7是由不导电材料构成的层。

图3示出第三实施例，其中膜片5仅仅在输入侧固定在载体6上。相应地，膜片5可以相对于载体6弯曲。

附图标记列表

1　　薄膜传感器

2　　薄膜电阻

3　　压阻层

4　　电极

5　　膜片

6　　载体

7　　绝缘体