應用于轉角傳感器的Cu-DLC電阻體制備技術研究

王洋洋 徐冬 楊思遠 咸婉婷 宋成君

中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱 150001

0 引言

碳膜式轉角傳感器具有制造工藝簡單、便于自動化生產、價格低廉、分辯率高等優點[1]。但目前市售的碳膜式轉角傳感器一般采用絲網印刷的方法制作電阻體，其缺點是不耐磨，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電阻體作為轉角傳感器的敏感材料，其優勢是兼具類金剛石的硬度，并解決了類金剛石導電性差的問題[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]，通過對工藝參數的控制及金屬元素（Cu）的摻雜改性，即可實現對膜層硬度及導電性的控制，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，微觀區段內電阻的一致性和傳感器的線性好[8]，因此被廣泛應用于制備電阻均勻的導電薄膜[9]，可用于制造高端位移、轉角類傳感器。目前，Cu-DLC的制備方法研究較為廣泛，工藝已具備一定的應用前景[10]，但將其應用于轉角傳感器電阻體制備的報道較為少見。

1 實驗

1.1 導電碳膜的制作

在陶瓷襯底上制作導電碳膜電阻體，在生瓷基底上制作用于信號引出的過孔，經燒結形成熟瓷基板，然后在陶瓷襯底上采用磁控濺射工藝制備類金剛石導電碳膜電阻體。根據傳感器整體布局形式、工藝實現情況，設計傳感器尺寸。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：使用沖孔機在生瓷基片表面相應位置制作過孔；

（3）填孔：在基片過孔處填充導電漿料，用于信號引出；

（4）燒結：使用高溫燒結爐在1,000 ℃下將生瓷基片燒結成型；

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

（6）導電碳膜電阻體制作：采用射頻磁控濺射方式制備0.2～2 μm厚導電層，溶膠剝離后形成導電碳膜電阻體。為進一步提高電阻體的導電性能，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，通過調整2個靶的濺射功率，同時濺射石墨靶和康銅靶，實現不同摻雜比例的碳膜的制備，并通過對樣品的導電性、耐磨性的實驗驗證，確定最終的工藝參數；

（7）剝離：采用反轉膠工藝法，通過剝離方法使金屬膜成型，實現電阻體圖形化。

射頻磁控濺射法制備的碳膜為非晶態的類金剛石結構，經過熱處理后可以提高其硬度，又能消除薄膜應力，降低電阻值，提高對電極的導電性能，同時，適量的康銅摻雜能夠進一步提高類金剛石碳膜的導電性。與傳統的絲網印刷法制備的石墨電阻體和真空蒸發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，電導率可調，加工精度高，并可通過修刻進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公司生產的INSPECT-S50型掃描電子顯微鏡對制備的Cu-DLC薄膜表面形貌進行了分析；采用EDS能譜分析對膜層元素及分布進行了分析；采用日本Rigaku公司生產的D/max-TTR III型X射線衍射儀測試膜層的晶態結構；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行了測試；采用德國安捷倫公司生產的G200型納米壓痕儀對濺射功率對薄膜力學性能（硬度、結合力）的影響進行了測試。

2 結果與討論

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。可以看出，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，薄膜與基底結合致密且過渡平滑，所制作的薄膜耐磨性好，適合作為轉角傳感器的電阻體。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薄膜的晶相結構分析

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°區間呈現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構為非晶態或微晶態存在。這種寬波峰的出現是由于在成膜過程中石墨烯逐漸向類金剛石結構轉變，由晶態轉變成為非晶態結構，使主峰出現明顯寬化。

2.3 不同濺射參數對電阻率的影響

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。可以看出，隨著濺射功率的增大，電阻體薄膜的電阻率呈現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狀態的碳向SP3狀態轉化效率增大，但當功率過大時，石墨烯靶材的離子的注入效應使能量損失增加，降低了DLC薄膜的轉化效率，電阻率減小。

2.4 濺射功率對薄膜力學性能的影響

圖6為濺射功率與薄膜硬度、結合力的關系。由圖分析可知，隨著濺射功率的增大，碳膜的結合力呈現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。當濺射功率較小時，使多層碳層之間的結合更加緊密且引入的應力集中較小；但當濺射功率較大時，界面反應形成的擇優取向Cu-DLC較多，界面錯配度增加，內應力及應力集中、膜材料的缺陷等原因使得界面處原子的結合力降低，從而導致薄膜的結合力下降，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到185～200 GPa，采用自制轉臺對本實驗制備的Cu-DLC電阻體進行壽命考核，當傳感器使用50,000周之后，膜層電阻漂移＜5%，且無明顯脫落現象，對傳感器進行標定后可繼續正常使用，傳感器壽命明顯增加。

3 結論

本文設計并制備了一種耐磨性良好的，可應用于轉角傳感器的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合力，解決了目前轉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、高精度方向發展，在高端位移傳感器的研究領域具有廣闊的應用前景。