[发明专利]一种金属掺杂非晶碳薄膜温度传感元件及其制备方法

说明书

技术领域

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

在20世纪，随着集成电路工艺和微电子机械系统(Micro Electro Mechanical 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。

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。

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ppmK^-1。

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。

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。

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。

类金刚石碳膜，英文名称为Diamond like carbon，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(Negative Temperature Coefficient)，即负温度系数的导电材料，具有高TCR值，达数千ppmK^-1，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。

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

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。

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。

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。

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。