一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片及制备方法

本发明涉及微机电芯片制造与检测领域，具体为一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁芯片及其制备方法。

背景技术：

1、近年来随着压阻微机电系统(micro-electro-mechanical system，mems)的快速发展，压阻式压力传感器在车辆、生物医学及消费电子产品等领域中的应用越来越广泛。压阻式压力传感器性能很大程度上取决于压敏材料，其中压阻系数(gauge factor，gf)是材料电阻率变化率与应变的比值反映了压敏材料的灵敏度。

2、非晶碳(a-c)薄膜中的碳原子之间主要通过sp2和sp3共价键形成不规则的空间网状结构，由于其具有良好的机械、光学和化学性能，例如高的杨氏模量、抗拉强度和断裂强度以及良好的压阻性能、耐腐蚀性、化学惰性和低摩擦系数等，因此可作为压阻传感器的敏感元件。

3、传统材料的压阻系数是对检测材料施加应力，通过检测目标材料在不同晶面下沿不同晶相的电阻变化率，从而确定材料在不同晶面的各向压阻系数。非晶碳为非晶态薄膜，其厚度为10～500nm，其外在表现为各向同性，因此可以忽略厚度方向上的正应变和切应变。

4、目前研究均基于纵向压阻系数，有关于非晶碳的横向压阻系数研究较少。为减小传感器的体积，增大传感器的灵敏度，非晶碳的横向、纵向压阻因子的研究对mems传感器的制备仍具有重要意义。然而，目前的研究困难在于，一方面由于工艺不成熟，非晶碳薄膜的材料均一性较差；另一方面由于非晶碳的弹性模量和残余应力与基底的不适配，导致非晶碳容易出现褶皱和破裂导致测试结果准确性差，可靠性低。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的由于非晶碳薄膜均一性差及非晶碳薄膜的弹性模量和残余应力与基底不匹配，导致的压阻系数结果不准确，可靠性差的问题，本发明提供一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片及其制备方法。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片，包括pcb板，所述pcb板的最大应力集中处的表面设置有硅片基底和第一金属电极；所述硅片基底上依次设置有绝缘层、非晶碳薄膜和第二金属电极；所述第一金属电极和第二金属电极通过金丝连接；

4、所述非晶碳薄膜包括横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条，所述第二电极分别覆盖横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条，并设置于非晶碳与绝缘层表面。

5、所述非晶碳压敏电阻条包括至少一组非晶碳压敏电阻条组，每组非晶碳压敏电阻条组中包括尺寸相同且相互垂直的横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条，横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条在绝缘层的宽度方向对称设置，横向非晶碳压敏电阻条的长度方向沿着绝缘层的宽度方向，纵向非晶碳压敏电阻条的长度方向沿着绝缘层的长度方向即x轴方向，横向非晶碳压敏电阻条长度方向的中心线过纵向非晶碳压敏电阻条的中点；

6、优选地，所述横向非晶碳压敏电阻条至微纳米梁测试芯片中线的距离与相同尺寸的纵向非晶碳压敏电阻条至微纳米梁测试芯片中线的距离相等。

7、优选地，所述绝缘层为氮化硅层、氧化硅层或者氮化硅层和氧化硅层的复合结构；当绝缘层采用氮化硅层和氧化硅层的复合结构时，氧化硅层设置于硅片基底表面，氮化硅层设置于氧化硅层表面，其中氧化硅层厚度为100～300nm，氮化硅层厚度为100～300nm。；所述第一金属电极和第二金属电极的材料为au、cr、ti、cu和ni中的一种或多种。

8、优选地，所述微纳米梁测试芯片的长度为30～250mm，宽度为500～3000μm，厚度为100～500μm。

9、优选地，所述绝缘层的厚度为200～500nm。

10、优选地，所述横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条长宽比均为1～50，且长为10～500um，宽为10～500um，厚度为100～500nm。

11、优选地，微纳米梁测试芯片为悬臂梁测试芯片、双端简支梁测试芯片或双端固定支梁测试芯片；所述悬臂梁测试芯片远离非晶碳薄膜的一端设置有受力位置标记；所述双端简支梁测试芯片和双端固定支梁测试芯片的中心设置有受力位置标记。

12、如上述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备方法，包括以下步骤：

13、将绝缘层沉积在硅片基底上；

14、在绝缘层上制备掩膜一，并使掩膜一裸露出非晶碳薄膜的图形位置；

15、在非晶碳薄膜的图形位置处，沉积非晶碳薄膜，并剥离掩膜一；

16、掩膜一剥离后，在非晶碳薄膜的表面制备掩膜二，并使掩膜二裸露出第二金属电极的图形位置；

17、在第二金属电极的图形位置处，溅射第二金属电极，并剥离掩膜二，得到组合装置；

18、将组合装置固定在pcb板上；

19、将第一电极固定在pcb板上；

20、将组合装置的第二电极与第一电极键合连接，完成检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备。

21、优选地，采用物理气相沉积法或化学气象沉积法在非晶碳薄膜的图形位置处，沉积非晶碳薄膜。

22、优选地，在非晶碳薄膜的图形位置处，沉积非晶碳薄膜时，靶材为99.99％的高纯石墨靶材。

23、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

24、本发明一种检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片，包括pcb板，所述pcb板的最大应力集中处的表面设置有硅片基底和第一金属电极；所述硅片基底上依次设置有绝缘层、非晶碳薄膜、第二金属电极；所述第一金属电极和第二金属电极通过金丝连接，并通过引线接入惠斯通电路。所述非晶碳薄膜包括横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条，所述第一电极分别覆盖横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条与绝缘层接触，通过非晶碳薄膜包括横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条的设置，实现了同时对纵向压阻系数和横向压阻系数的测试，为减小传感器的体积，增大传感器的灵敏度提供依据。该微纳米梁测试芯片结构简单，且所述非晶碳薄膜集中在最大应力集中处，在测试过程中保证非晶碳薄膜的均一性，减少由于分散布置导致非晶碳压敏电阻差距过大对检测结果精度的影响。

25、所述每组非晶碳压敏电阻条组中包括尺寸相同且相互垂直的横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条，横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条在绝缘层的宽度方向对称设置，横向非晶碳压敏电阻条的长度方向沿着绝缘层的宽度方向，纵向非晶碳压敏电阻条的长度方向沿着绝缘层的长度方向，横向非晶碳压敏电阻条长度方向的中心线过纵向非晶碳压敏电阻条的中点，且所述横向非晶碳压敏电阻条至微纳米梁测试芯片中线的距离与纵向非晶碳压敏电阻条至微纳米梁测试芯片中线的距离相等。该设置可保证同一个尺寸的非晶碳薄膜承受相同的横向和纵向应力，减小其他方向应力对测试结果的影响，进一步提升测试结果的准确性。

26、绝缘层为氮化硅层和氧化硅层中的一种或两种复合结构，可有效防止电流泄露到衬底，从而忽略沿不同方向电流的影响。

27、所述微纳米梁测试芯片的长度为30～250mm，宽度为500～3000μm，厚度为100～500μm。微米级的微纳米梁测试芯片厚度可以增加非晶碳薄膜的应力，非晶碳薄膜初期由于制备过程中的膜基结合力导致的结果非线性，而微米厚的微纳米梁测试芯片可以减小非线性区间，同时可以增大测试芯片的灵敏度和精确度。

28、所述横向非晶碳压敏电阻条和纵向非晶碳压敏电阻条长宽比均为1～50，且长为10～500um，宽为10～500um，厚度为100～500nm，具有更高的精度，可适用于航空航天等精密场所。同时，较小的非晶碳薄膜尺寸可保证非晶碳薄膜在压敏区域的均一性，尽可能将非晶碳薄膜同一尺寸的横向、纵向压敏电阻条集中布置在微纳米梁测试芯片的一侧，减少由于分散布置导致压敏电阻差距过大的影响。

29、位置标记的设置，可保证每次加载的外应力处于同一位置，进一步保证测试的精度和可靠性。

30、本发明还提供一种如上述的检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备方法，该方法通过将绝缘层沉积在硅片基底上，在绝缘层上制备掩膜一，并使掩膜一裸露出非晶碳薄膜的图形位置；在非晶碳薄膜的图形位置处，沉积非晶碳薄膜，并剥离掩膜一；掩膜一剥离后，在非晶碳薄膜的表面制备掩膜二，并使掩膜二裸露出第二金属电极的图形位置；在第二金属电极的图形位置处，溅射第二金属电极，并剥离掩膜二，得到组合装置；将组合装置固定在pcb板上；将第一电极固定在pcb板上；将组合装置的第二电极与第一电极键合连接，实现了检测非晶碳压阻系数的微纳米梁测试芯片的制备，该方法制备过程功耗低，制备工艺简单，对二维材料和其他纳米级厚度的碳系薄膜材料的压阻系数测试具有重要意义。可适用于不同非晶碳薄膜制备方案横纵向压阻特性测试。