应用于转角传感器的Cu-DLC电阻体制备技术研究

王洋洋 徐冬 杨思远 咸婉婷 宋成君

中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨 150001

0 引言

碳膜式转角传感器具有制造工艺简单、便于自动化生产、价格低廉、分辩率高等优点[1]。但目前市售的碳膜式转角传感器一般采用丝网印刷的方法制作电阻体，其缺点是不耐磨，使用寿命短[2-3]。为提高传感器测量精度，本文采用射频磁控溅射工艺，在陶瓷衬底上制备了Cu-DLC电阻体作为转角传感器的敏感材料，其优势是兼具类金刚石的硬度，并解决了类金刚石导电性差的问题[4]。类金刚石薄膜（DLC）是一种非晶碳膜[5]，薄膜中的碳原子具有不同的轨道杂化方式，不同杂化方式的碳原子具有不同结合方式，使得类金刚石薄膜有着很大的性能差异[6-7]，通过对工艺参数的控制及金属元素（Cu）的掺杂改性，即可实现对膜层硬度及导电性的控制，制作耐磨电阻体。同时，类金刚石碳膜的膜层均匀性好，厚度可控，制备工艺成熟，微观区段内电阻的一致性和传感器的线性好[8]，因此被广泛应用于制备电阻均匀的导电薄膜[9]，可用于制造高端位移、转角类传感器。目前，Cu-DLC的制备方法研究较为广泛，工艺已具备一定的应用前景[10]，但将其应用于转角传感器电阻体制备的报道较为少见。

1 实验

1.1 导电碳膜的制作

在陶瓷衬底上制作导电碳膜电阻体，在生瓷基底上制作用于信号引出的过孔，经烧结形成熟瓷基板，然后在陶瓷衬底上采用磁控溅射工艺制备类金刚石导电碳膜电阻体。根据传感器整体布局形式、工艺实现情况，设计传感器尺寸。具体的工艺流程图如图1所示。各工艺步骤具体操作如下：

（1）备片：选择外观清洁无磨损的生瓷基片；

（2）制作过孔：使用冲孔机在生瓷基片表面相应位置制作过孔；

（3）填孔：在基片过孔处填充导电浆料，用于信号引出；

（4）烧结：使用高温烧结炉在1,000 ℃下将生瓷基片烧结成型；

（5）光刻胶图形化：采用匀胶机在陶瓷表面悬涂光刻胶，依次进行匀胶、前烘、曝光、显影、后烘；

（6）导电碳膜电阻体制作：采用射频磁控溅射方式制备0.2～2 μm厚导电层，溶胶剥离后形成导电碳膜电阻体。为进一步提高电阻体的导电性能，实验拟采用射频双靶共溅工艺制备康铜掺杂的类金刚石碳膜，通过调整2个靶的溅射功率，同时溅射石墨靶和康铜靶，实现不同掺杂比例的碳膜的制备，并通过对样品的导电性、耐磨性的实验验证，确定最终的工艺参数；

（7）剥离：采用反转胶工艺法，通过剥离方法使金属膜成型，实现电阻体图形化。

射频磁控溅射法制备的碳膜为非晶态的类金刚石结构，经过热处理后可以提高其硬度，又能消除薄膜应力，降低电阻值，提高对电极的导电性能，同时，适量的康铜掺杂能够进一步提高类金刚石碳膜的导电性。与传统的丝网印刷法制备的石墨电阻体和真空蒸发法制备的电阻体相比，射频磁控溅射法制备的碳-铜电阻体更均匀、致密，且厚度可控，电导率可调，加工精度高，并可通过修刻进一步提高电阻体的线性程度，工艺流程示意图如图1所示。

1.2 材料的表征

采用美国FEI公司生产的INSPECT-S50型扫描电子显微镜对制备的Cu-DLC薄膜表面形貌进行了分析；采用EDS能谱分析对膜层元素及分布进行了分析；采用日本Rigaku公司生产的D/max-TTR III型X射线衍射仪测试膜层的晶态结构；采用大连贝尔科技公司BEC-6300C电阻率仪对溅射功率对电阻率的影响进行了测试；采用德国安捷伦公司生产的G200型纳米压痕仪对溅射功率对薄膜力学性能（硬度、结合力）的影响进行了测试。

2 结果与讨论

2.1 SEM分析

本文采用射频对靶磁控法在陶瓷基底上合成了厚度0.2～2 μm的电阻体薄膜，图2为Cu-DLC薄膜的微观表面形貌。可以看出，射频溅射薄膜十分均匀、致密，膜面十分平整光滑，表面无明显瑕疵，薄膜与基底结合致密且过渡平滑，所制作的薄膜耐磨性好，适合作为转角传感器的电阻体。图3为Cu-DLC薄膜的元素分布能谱，由图谱分析可知，膜层由C和Cu 2种元素组成，2种元素在膜层中均匀分布，确保了膜层电阻的均匀性。

2.2 Cu-DLC薄膜的晶相结构分析

图4是Cu-DLC薄膜的XRD图谱，由图分析可知，XRD衍射图在2θ位于 35°～43°区间呈现出类似微晶或非晶的散射峰，此峰为石墨烯的六方晶格的（0001）面衍射的宽波峰，由此可以判断该镀层结构为非晶态或微晶态存在。这种宽波峰的出现是由于在成膜过程中石墨烯逐渐向类金刚石结构转变，由晶态转变成为非晶态结构，使主峰出现明显宽化。

2.3 不同溅射参数对电阻率的影响

图5是工作气压0.4 Pa，电压60 V，改变C靶射频功率制备的Cu-DLC薄膜的电阻率。可以看出，随着溅射功率的增大，电阻体薄膜的电阻率呈现先增大后减小的趋势，200 W时电阻率最大。在DLC成膜过程中石墨靶材粒子在离子束的轰击下被溅射出来，被溅射出来的粒子相互碰撞，在电场作用下在基片表面沉积成膜。随着溅射功率增大，成膜效率变大，SP2状态的碳向SP3状态转化效率增大，但当功率过大时，石墨烯靶材的离子的注入效应使能量损失增加，降低了DLC薄膜的转化效率，电阻率减小。

2.4 溅射功率对薄膜力学性能的影响

图6为溅射功率与薄膜硬度、结合力的关系。由图分析可知，随着溅射功率的增大，碳膜的结合力呈现逐渐升高而后下降的趋势，而碳膜的硬度则随着溅射功率的增大而逐渐降低。当溅射功率较小时，使多层碳层之间的结合更加紧密且引入的应力集中较小；但当溅射功率较大时，界面反应形成的择优取向Cu-DLC较多，界面错配度增加，内应力及应力集中、膜材料的缺陷等原因使得界面处原子的结合力降低，从而导致薄膜的结合力下降，也正是基于这些原因，碳层膜的脆性逐渐加大，硬度降低。因此，试验采取溅射功率190 W。

目前市售的转换角传感器膜层硬度小，一般为50～60 GPa，受到电阻体磨损的影响，寿命普遍为20,000次左右[9]。本实验制作的电阻体硬度可达到185～200 GPa，采用自制转台对本实验制备的Cu-DLC电阻体进行寿命考核，当传感器使用50,000周之后，膜层电阻漂移＜5%，且无明显脱落现象，对传感器进行标定后可继续正常使用，传感器寿命明显增加。

3 结论

本文设计并制备了一种耐磨性良好的，可应用于转角传感器的Cu-DLC电阻体材料，并对其制作工艺展开研究。该Cu-DLC镀膜微观形貌均匀致密，具有较高的硬度、阻值可控性以及与基底良好的结合力，解决了目前转角传感器普遍存在的电阻体不耐磨、寿命短的问题。同时，因该传感器采用溅射方法制作，可向微型化、高精度方向发展，在高端位移传感器的研究领域具有广阔的应用前景。