[发明专利]一种用于面内应变传感的各向异性薄膜及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及应变传感器件、应变开关器件中的传感薄膜材料及其制备技术领域，尤其是涉及一种电阻各向异性薄膜及其制备方法。

背景技术

应变传感技术被广泛的应用于工程和科研领域，如工程结构分析、材料力学等。其中贴片式应变传感，即应变片的应用最为广泛。应变片是利用金属薄膜的欧姆定律制成的，其特点是灵活度高，精度好。但缺点是金属薄膜需有一定的长度来满足器件电阻的需求，一般应变片的几何尺寸在毫米级，而且其电极引线布置与传感材料本身在同一个平面，这两方面原因导致其空间分辨率有限，测量精度也相对有限，难以进行高分辨率的阵列化集成使用。常用的应变片灵敏度：Gauge Factor＝2。

利用半导体材料的压阻效应或者压电半导体材料中压电电荷对电极接触电阻的调控效应可以获得较高的应变传感灵敏度。研究表明其应变灵敏度：Gauge Factor一般能达到几百甚至上千的量级，远远高于应变片。而且该类材料用于传感时的几何尺寸通常较小，一般几微米至几百微米尺度即可满足应变传感的需求。

随着大型结构设备从基于强度的设计制造向基于失效模式、基于风险的设计制造理念的转变，应变测量数据的采集和积累，尤其是应变场数据测量需求的增加，促进了高分辨率、高灵敏度应变传感器的发展。

发明内容

本发明的技术目的是针对上述现有技术的不足以及应变测量需求，提供一种用于面内应变传感的各向异性薄膜及其制备方法，利用该薄膜可实现面内应变的高灵敏精度及高空间分辨率的传感。利用所述方法可制备该各向异性薄膜。

本发明提供一种用于面内应变传感的各向异性薄膜，所述薄膜包括在高分子柔性衬底上制备的底电极层、各向异性薄膜层和顶电极层，测量时，电流沿顶电极层和底电极层从各向异性薄膜层厚度方向流过，实现对平行于各向异性薄膜层方向的变形进行测量。

所述的各向异性薄膜层为一层带有压阻特性的半导体薄膜或为压电半导体薄膜，为n型半导体或者是p型半导体。对于压电半导体薄膜，同时具有压电和半导体特性，压电半导体薄膜的厚度方向为压电系数最高的方向。

所述的各向异性薄膜层具有典型的紧密排列柱状晶结构。晶界排列的一致取向性使得各向异性薄膜层在沿晶界方向的电阻率较小而垂直晶界方向的电阻率很大，即在各向异性薄膜层平面内具有超高的电阻率甚至绝缘，在各向异性薄膜层厚度方向电阻率较小，实现薄膜电阻率各向异性的特征。

所述各向异性薄膜层的厚度为100nm至2μm之间；各向异性薄膜层面积为0.01mm²至150mm²之间。

所述顶电极层和底电极层的导电材料可选择金、铂、氧化铟锡等材料，厚度均为100至200纳米，电阻控制在1kΩ以下。

本发明还提供一种用于面内应变传感的各向异性薄膜的制备方法，包括如下步骤：

步骤1：将绝缘的高分子柔性衬底放置在磁控溅射真空腔室衬底托盘的加热器上加热至预设的温度；

步骤2：在绝缘的高分子柔性衬底上使用氩气等离子体和氧气等离子体进行溅射轰击；

步骤3：在溅射轰击后的高分子柔性衬底上使用射频磁控溅射方法溅射底电极层。

步骤4：在底电极层表面溅射各向异性薄膜层；

步骤5：在各向异性薄膜层表面溅射顶电极层。

上述方法步骤中：

所述将高分子柔性衬底放置于加热器上的加热过程，需首先开启磁控溅射设备的旋转轴转动，然后开启加热器加热，加热到预设温度后需保温足够长的时间(至少十分钟)以保证溅射过程的薄膜均匀性和足够小的晶粒尺寸。

所述射频磁控溅射方法所使用的溅射靶材为与各向异性薄膜材料相同成分的靶材。

所述各向异性薄膜层中薄膜材料的生长制备过程中，对于氧化物半导体材料需额外通入适当流量的氧气等气体以保证所生长的各向异性薄膜材料的化学成分。

所述的绝缘的高分子柔性衬底为能够耐受100℃以上高温的热缩性高分子柔性衬底。

本发明的优点在于：

(1)以材料压电压阻传感原理代替欧姆定律，平面内布置的电极变为上下布置，利于传感单元的高密度集成；

(2)灵敏度明显优于目前的商用金属薄膜应变片；

(3)微加工工艺简单；

附图说明

图1为本发明中采用射频磁控溅射法制备用于面内应变传感的各向异性薄膜的过程示意图；

图2为本发明中实施例中将各向异性薄膜用于应变传感的结构示例图；