纳米薄膜的制备与纳米薄膜压力传感器性能的提高

　　在纳米技术中，首先观察到的是用隧道电子显微镜，用极尖细的探针，其上加强电场，在强电场作用下，它把单个的原子吸引出来，然后通过探针搬迁到另一个地方，使其排列成需要的结构。性能优良的纳米薄膜压力传感器的多层薄膜是采用动能转换的方法，将单个原子激发出来，搬迁到另一个地方沉积形成纳米薄膜。采用动能转换搬迁原子，国外有不少报导。例如，日本松井真工教授用NEC的精工仪器离子束设备，采用离子束沉积技术制出了厚度小于 0.1μm (微米)的微小零件。国外还报导在纳米工程和纳米制造学方面，提出了表面微加工所用的设备。如离子束的搬汞与涂镀、分子束外延、电子束与光束的刻蚀等都可以应用。日本高木俊宜薄膜专家指出，利用离子工程、激光烧蚀、激光加工技术控制原子、分子的有序程度，可以形成功能性的超薄的淀积膜。
　　通常，以带能量的粒子轰击靶材产生的一些现象为研究对象，这是核物理研究中的一个方法，带能粒子的产生、加速、减速、传输等都是由加速器完成的。带能粒子轰击固体表面靶和基片时，产生一系列的现象，当能量小于300ev时，粒子材料可以直接沉积在被轰击的基片上形成该材料的薄膜，称离子束直接沉积技术。当能量在 300ev-500ev 时，入射粒子是以弹性碰撞方式而不是气化方式将靶材原子逸出来，它不伴随有原子的气相变化在基片上凝结成膜的过程。当能量在 500ev-2000ev 时，这时的溅射现象是以气相过程的凝结为主。当能量大于 2000ev 以上时，入射粒子直接进入靶材原子的晶格中，称离子注入现象。我们采用甚低能多通道离子加速器淀积薄膜，其能量控制在 (300-1000)ev 以内，以弹性碰撞逸出原子而不是气化逸出原子的方式。
　　动能转换原理基本点是当粒子轰击固体表面时，能量控制轰击产额在1或小于1的临界能量之上。产额的含义是轰击靶材逸出的原子数与轰击靶材离子束流之比。例如，对于束流密度为 1.0mA/cm2 的离子束而言，s=1 的溅射速率相当于 6x1015 原子/s/cm2 的移除速率。对铜来说，相当于 7Å/s 的沉积速率，金属原子的直径一般为 0.3-0.4nm，通过选择束流为 0.5mA/cm2 时则实现单原子层的沉积。这个过程连续下去时则成为单原子层的逐原子层的堆积薄膜，这就是纳米粒子的堆积成膜。这与蒸发和磁控溅射薄膜形成原理大不一样。
　　不同材料产额为1时轰击能量是不同的。对于大多数材料而言 (300一500ev) 动能转换产额大体为单原子剥离或沉积。目前尚不知 Ni-Cr、Si02 等材料的产额为 1 时的能量，但是大多数材料的原子结合能为几十个电子伏。所以(300-500)ev 的能量足以完成动能的转换。据资料报导，离子束沉积可制作高纯度的薄膜，膜的附着力接近块体材料，膜表面平坦光滑，膜中残余应力极小，膜的组分比控制精确。离子束淀积法在制备薄膜方面具有与其它方法所不具备的优点，但是至今对它们研究还不很充分，特别是在成膜机理与能量、淀积速率和真空度等参数的影响上，方法是：
　　1. 选择低能量(包括轰击电压和离子束流)：在沉积合金或单质金属时，先采用 300ev 0.3mA/cm2 的能量，在保持束流密度不变时，然后逐步增加到 500ev 的离子能量进行轰击；对 SiO2 胶淀积时，先采用 500ev 能量淀积，然后采用 700ev 能量轰击。同时精确控制淀积的膜厚。
　　2. 控制淀积方式。淀积薄膜的衬底是行星式旋转方式，其上四个转盘可以依次通过淀积率最大的区域，离开这个位置后，其上淀积膜有足够的时间能够实现表面迁移、扩散、结晶、形成薄膜。而且避免后来淀积原子的轰击，产生淀积膜的再逸出原子的现象。此外，控制它在淀积后的停留时间，即可实现单原子层的淀积。
　　3. 实现薄膜材料与衬底间的原子键合，比分子键合大大提高了附着力。其方法是在真空室内的另一加速器通道产生极低能量的(100-300)ev 离子，直接轰击基片。原位剥离基片材料的原子，当新鲜的原子层露出后，与正在沉积的原子键合形成牢固的结合。
　　4. 控制好淀积的温度。淀积时，衬底的温度为 100℃，温度太高容易发生气相过程的凝结，太低将增加薄膜的缺陷。
　　为了检验松诺盟公司生产的纳米薄膜压力传感器的薄膜结构的薄膜厚度，我们进行了如下实验：在抛光光学的玻璃上，按照制造传感器所采用的工艺条件淀积了 Ni-Cr、Ta、Ta205 和 SiO2 薄膜。实际测得的纳米功能材料 Ni-Cr 胶其厚度为 650Å(65nm)。实际结果指出这是从纳米尺寸上看到纳米薄膜的特征。膜厚在 650Å 时不可能出现量子效应，因为量子效应是在尺寸为量子尺寸时发生的。
　　实测我们的纳米薄膜压力传感器的性能并与世界知名的薄膜压力传感器生产企业美国某公司的同类产品相比较(资料来源于官网)，显然，我们生产的纳米薄膜压力传感器在主要性能方面都有提高。
　　① 绝缘性能：在测试电压高一倍情况下，其绝缘电阻高于美国产品 10 倍以上。
　　② 桥臂电阻：比美国产品高 2 倍以上。
　　③ 热稳定性：比美国产品高 3 倍以上。
　　④ 工作温度：我们的产品温度达到 380℃，美国产品为 177℃。
　　通过航天部某单位对产品的高温性能和零点漂移的稳定性进行测试。他们连续在 125℃ 十小时工作，并在高温下循环加载对高温高压下的零点漂移和性能进行了测试。测试结果：125℃ 下的零点漂移为 <0.05% F.S。零点温度漂移(热稳定性)优于十万分之五，可达到 0.0002%F.S/℃。传感器性能的提高，是由纳米薄膜的优越性能所决定的。因为一克纳米粒子，其表面积可达几万平方米，金属原子的直径为 0.3nm~0.4nm，颗粒小，所以纳米薄膜非常致密，附着力高，晶格缺陷小，内应力小，这些特点提高了传感器的疲劳性能，使蠕变和滞后几乎不存在，改善了传感器的静态性能。膜的散热性能好，改善了传感器的温度特性；膜针孔少，均匀度好，提高了膜的绝缘性能，降低了电阻缺陷引入的电噪声。较薄的纳米薄膜带来更多的好处，传感器的灵敏度提高了，桥臂电阻增大了，功耗降低了，发热减少了，工作温度更高了。因此，纳米薄膜压力传感器是目前世界上真正做到零点漂移极小，湿度影响极小的高稳定性、高可靠性、高精确度以及耐高温、高压的新一代压力传感器。它将广泛应用于军工、航空航天、石化、机械、电力、汽车、冶金、核工业以及工业过程控制等诸多领域和行业。
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