應(yīng)用于轉(zhuǎn)角傳感器的Cu-DLC電阻體制備技術(shù)研究

王洋洋 徐冬 楊思遠(yuǎn) 咸婉婷 宋成君

中國電子科技集團(tuán)公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001

0 引言

碳膜式轉(zhuǎn)角傳感器具有制造工藝簡單、便于自動化生產(chǎn)、價格低廉、分辯率高等優(yōu)點(diǎn)[1]。但目前市售的碳膜式轉(zhuǎn)角傳感器一般采用絲網(wǎng)印刷的方法制作電阻體，其缺點(diǎn)是不耐磨，使用壽命短[2-3]。為提高傳感器測量精度，本文采用射頻磁控濺射工藝，在陶瓷襯底上制備了Cu-DLC電阻體作為轉(zhuǎn)角傳感器的敏感材料，其優(yōu)勢是兼具類金剛石的硬度，并解決了類金剛石導(dǎo)電性差的問題[4]。類金剛石薄膜（DLC）是一種非晶碳膜[5]，薄膜中的碳原子具有不同的軌道雜化方式，不同雜化方式的碳原子具有不同結(jié)合方式，使得類金剛石薄膜有著很大的性能差異[6-7]，通過對工藝參數(shù)的控制及金屬元素（Cu）的摻雜改性，即可實現(xiàn)對膜層硬度及導(dǎo)電性的控制，制作耐磨電阻體。同時，類金剛石碳膜的膜層均勻性好，厚度可控，制備工藝成熟，微觀區(qū)段內(nèi)電阻的一致性和傳感器的線性好[8]，因此被廣泛應(yīng)用于制備電阻均勻的導(dǎo)電薄膜[9]，可用于制造高端位移、轉(zhuǎn)角類傳感器。目前，Cu-DLC的制備方法研究較為廣泛，工藝已具備一定的應(yīng)用前景[10]，但將其應(yīng)用于轉(zhuǎn)角傳感器電阻體制備的報道較為少見。

1 實驗

1.1 導(dǎo)電碳膜的制作

在陶瓷襯底上制作導(dǎo)電碳膜電阻體，在生瓷基底上制作用于信號引出的過孔，經(jīng)燒結(jié)形成熟瓷基板，然后在陶瓷襯底上采用磁控濺射工藝制備類金剛石導(dǎo)電碳膜電阻體。根據(jù)傳感器整體布局形式、工藝實現(xiàn)情況，設(shè)計傳感器尺寸。具體的工藝流程圖如圖1所示。各工藝步驟具體操作如下：

（1）備片：選擇外觀清潔無磨損的生瓷基片；

（2）制作過孔：使用沖孔機(jī)在生瓷基片表面相應(yīng)位置制作過孔；

（3）填孔：在基片過孔處填充導(dǎo)電漿料，用于信號引出；

（4）燒結(jié)：使用高溫?zé)Y(jié)爐在1,000 ℃下將生瓷基片燒結(jié)成型；

（5）光刻膠圖形化：采用勻膠機(jī)在陶瓷表面懸涂光刻膠，依次進(jìn)行勻膠、前烘、曝光、顯影、后烘；

（6）導(dǎo)電碳膜電阻體制作：采用射頻磁控濺射方式制備0.2～2 μm厚導(dǎo)電層，溶膠剝離后形成導(dǎo)電碳膜電阻體。為進(jìn)一步提高電阻體的導(dǎo)電性能，實驗擬采用射頻雙靶共濺工藝制備康銅摻雜的類金剛石碳膜，通過調(diào)整2個靶的濺射功率，同時濺射石墨靶和康銅靶，實現(xiàn)不同摻雜比例的碳膜的制備，并通過對樣品的導(dǎo)電性、耐磨性的實驗驗證，確定最終的工藝參數(shù)；

（7）剝離：采用反轉(zhuǎn)膠工藝法，通過剝離方法使金屬膜成型，實現(xiàn)電阻體圖形化。

射頻磁控濺射法制備的碳膜為非晶態(tài)的類金剛石結(jié)構(gòu)，經(jīng)過熱處理后可以提高其硬度，又能消除薄膜應(yīng)力，降低電阻值，提高對電極的導(dǎo)電性能，同時，適量的康銅摻雜能夠進(jìn)一步提高類金剛石碳膜的導(dǎo)電性。與傳統(tǒng)的絲網(wǎng)印刷法制備的石墨電阻體和真空蒸發(fā)法制備的電阻體相比，射頻磁控濺射法制備的碳-銅電阻體更均勻、致密，且厚度可控，電導(dǎo)率可調(diào)，加工精度高，并可通過修刻進(jìn)一步提高電阻體的線性程度，工藝流程示意圖如圖1所示。

1.2 材料的表征

采用美國FEI公司生產(chǎn)的INSPECT-S50型掃描電子顯微鏡對制備的Cu-DLC薄膜表面形貌進(jìn)行了分析；采用EDS能譜分析對膜層元素及分布進(jìn)行了分析；采用日本Rigaku公司生產(chǎn)的D/max-TTR III型X射線衍射儀測試膜層的晶態(tài)結(jié)構(gòu)；采用大連貝爾科技公司BEC-6300C電阻率儀對濺射功率對電阻率的影響進(jìn)行了測試；采用德國安捷倫公司生產(chǎn)的G200型納米壓痕儀對濺射功率對薄膜力學(xué)性能（硬度、結(jié)合力）的影響進(jìn)行了測試。

2 結(jié)果與討論

2.1 SEM分析

本文采用射頻對靶磁控法在陶瓷基底上合成了厚度0.2～2 μm的電阻體薄膜，圖2為Cu-DLC薄膜的微觀表面形貌?？梢钥闯?，射頻濺射薄膜十分均勻、致密，膜面十分平整光滑，表面無明顯瑕疵，薄膜與基底結(jié)合致密且過渡平滑，所制作的薄膜耐磨性好，適合作為轉(zhuǎn)角傳感器的電阻體。圖3為Cu-DLC薄膜的元素分布能譜，由圖譜分析可知，膜層由C和Cu 2種元素組成，2種元素在膜層中均勻分布，確保了膜層電阻的均勻性。

2.2 Cu-DLC薄膜的晶相結(jié)構(gòu)分析

圖4是Cu-DLC薄膜的XRD圖譜，由圖分析可知，XRD衍射圖在2θ位于 35°～43°區(qū)間呈現(xiàn)出類似微晶或非晶的散射峰，此峰為石墨烯的六方晶格的（0001）面衍射的寬波峰，由此可以判斷該鍍層結(jié)構(gòu)為非晶態(tài)或微晶態(tài)存在。這種寬波峰的出現(xiàn)是由于在成膜過程中石墨烯逐漸向類金剛石結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，由晶態(tài)轉(zhuǎn)變成為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，使主峰出現(xiàn)明顯寬化。

2.3 不同濺射參數(shù)對電阻率的影響

圖5是工作氣壓0.4 Pa，電壓60 V，改變C靶射頻功率制備的Cu-DLC薄膜的電阻率?？梢钥闯觯S著濺射功率的增大，電阻體薄膜的電阻率呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，200 W時電阻率最大。在DLC成膜過程中石墨靶材粒子在離子束的轟擊下被濺射出來，被濺射出來的粒子相互碰撞，在電場作用下在基片表面沉積成膜。隨著濺射功率增大，成膜效率變大，SP2狀態(tài)的碳向SP3狀態(tài)轉(zhuǎn)化效率增大，但當(dāng)功率過大時，石墨烯靶材的離子的注入效應(yīng)使能量損失增加，降低了DLC薄膜的轉(zhuǎn)化效率，電阻率減小。

2.4 濺射功率對薄膜力學(xué)性能的影響

圖6為濺射功率與薄膜硬度、結(jié)合力的關(guān)系。由圖分析可知，隨著濺射功率的增大，碳膜的結(jié)合力呈現(xiàn)逐漸升高而后下降的趨勢，而碳膜的硬度則隨著濺射功率的增大而逐漸降低。當(dāng)濺射功率較小時，使多層碳層之間的結(jié)合更加緊密且引入的應(yīng)力集中較??；但當(dāng)濺射功率較大時，界面反應(yīng)形成的擇優(yōu)取向Cu-DLC較多，界面錯配度增加，內(nèi)應(yīng)力及應(yīng)力集中、膜材料的缺陷等原因使得界面處原子的結(jié)合力降低，從而導(dǎo)致薄膜的結(jié)合力下降，也正是基于這些原因，碳層膜的脆性逐漸加大，硬度降低。因此，試驗采取濺射功率190 W。

目前市售的轉(zhuǎn)換角傳感器膜層硬度小，一般為50～60 GPa，受到電阻體磨損的影響，壽命普遍為20,000次左右[9]。本實驗制作的電阻體硬度可達(dá)到185～200 GPa，采用自制轉(zhuǎn)臺對本實驗制備的Cu-DLC電阻體進(jìn)行壽命考核，當(dāng)傳感器使用50,000周之后，膜層電阻漂移＜5%，且無明顯脫落現(xiàn)象，對傳感器進(jìn)行標(biāo)定后可繼續(xù)正常使用，傳感器壽命明顯增加。

3 結(jié)論

本文設(shè)計并制備了一種耐磨性良好的，可應(yīng)用于轉(zhuǎn)角傳感器的Cu-DLC電阻體材料，并對其制作工藝展開研究。該Cu-DLC鍍膜微觀形貌均勻致密，具有較高的硬度、阻值可控性以及與基底良好的結(jié)合力，解決了目前轉(zhuǎn)角傳感器普遍存在的電阻體不耐磨、壽命短的問題。同時，因該傳感器采用濺射方法制作，可向微型化、高精度方向發(fā)展，在高端位移傳感器的研究領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。