薄膜傳感器于智能制造的應用需求及發展初探

郇靖，陳思夢，吳正濤

（廣東工業大學，廣東 廣州 510006）

制造業的革命，往往伴隨著生產技術的重要突破。

歷史上曾出現過三次工業革命，十八世紀四十年代第一次工業革命發生于英國，該次工業革命中蒸汽機在市場上廣受歡迎，同時也幫助英國邁入了世界上第一批工業國家的行列；19世紀后半葉直到20世紀初這半個世紀中，隨著生產力的進步，第二次工業革命得以產生，其代表是電力電能的首次發明以及普遍使用，與此同時也意味著資本主義世界體系的確立，世界的聯系緊密逐步實現了整體化；第三次工業革命發生于20世紀中葉，美國作為該次工業革命的起源國家，此次工業革命期間，航天航空、計算機以及原子能等方面的技術日益完善，推動了全球的社會生產關系的變化。第四次工業革命是通過物聯網、大數據、機器人和人工智能等技術改變社會生產方式。以網絡、信息和智能的緊密聯系為重點。包括中國在內的全球主要工業國家都啟動了新型產業轉型和結構調整的建設。它在制造工藝、終端產品、生產設備、數據分析平臺和價格鏈方面改變了全球范圍內大的競爭環境。

1 新時代智能制造潮流下傳感器的全球需求背景

2013年的漢諾威工業博展會，德國提出了“工業4.0”概念，其技術基礎是網絡智能實體系統及物聯網。網絡智能實體系統及物聯網的構建需要大量的數據傳輸以及獲取，數據的獲取需要大量的傳感器才能達到萬物互聯。

“中國制造2025”是我國實施制造強國戰略第一個10年的行動綱領。傳感器的大量應用是為實現我國能夠成為“制造強國”宏偉目標之必然的趨勢，特別是能實時的檢測以及控制工業生產過程中的傳感器是我國目前智能制造發展的短板。2010年起中國已成為世界第一制造大國，但高新板塊仍與發達國家存在較大差距，智能化制造引發的制造產業革命，亦是實現我國制造產業轉型升級的絕佳良機，不管是物聯網還是數字化制造，最前端都將是智能化，然而智能化的前提是大數據的獲取以及數據庫的建立，所以這些都離不開傳感技術。

2 薄膜傳感器的研究價值

目前市場上常用的傳感器大多是硅基芯片、分立式器件。

此類傳感器件離工作表面較遠，無法正確反映工具和機械零部件的溫度、壓力等實時工作狀態，我們迫切地需要可實現結構功能一體化的，可在零部件基體上直接制造的嵌入式傳感器——薄膜傳感器。

圖1 硅基分立式與金屬嵌入式傳感器示意圖

目前的分立式的傳感器，外殼大多會采用高分子或者金屬特殊封裝，在高載荷、摩擦、高溫、腐蝕環境中會失真、失效甚至根本無法使用。所以嵌入式的耐磨防護薄膜傳感器可以在這些惡劣的工作環境進行傳感信號的穩定傳輸。

研究此類薄膜傳感器有著非凡的戰略意義。首先，符合國家戰略需求，制造業是國民經濟根本。攻克結構功能一體化薄膜傳感器技術，完全符合《中國制造2025》中提到要大力發展智能綠色制造、高端裝備的前沿方向，努力去向早日成為制造強國的目標所邁進；其次，科學價值與經濟效益，本項目研究成果可解決芯片基傳感器與工業級防護涂層結合遇到的基礎科學問題，對智能制造領域發展有重要科學價值；最后，發展研究此類傳感器，具有非比尋常的政治外交效益。近年來發達國家保護主義抬頭，在政治、經濟及技術方面給中國制造各種壁壘，相關的研究有助于我國突破相關技術封鎖，有重要的政治外交效益。

3 薄膜傳感器國內外研究現狀

自1990年起，中國便已經開始采用特種加工的方法來制備薄膜傳感器，一開始主要用到的工藝有磁控濺射法、電弧離子鍍法等離子束加工方式，但是應用效果的靈敏度與線性度不樂觀。21世紀，許多高校、研究所以及企業都在高性能傳感器上投入了很多精力，研制出了能在300℃環境下使用的高溫壓力傳感器，并在軍事系統上取得了良好的效果，其中沈陽工業大學制備出多晶硅高溫壓力傳感器、電子科技大學制備出了MnCu合金薄膜壓力傳感器。然而，相比于發達國家，仍有不小差距，尤其是在高端電子設備上使用的傳感器。

實際上，從國際出發，壓阻薄膜傳感器概念于20世紀70年代由英國首次提出，之后美國則第一次采取蒸鍍法，德國采取MS方法，均成功制備出了具備有較好性能的壓力薄膜傳感器，自此薄膜傳感器便開始逐漸備受各行各業的青睞。2015年德國弗朗和費表面工程與薄膜研究所（IST）研究出了摻氫DLC壓阻薄膜傳感器，應用于注塑模具檢測注塑成型保壓壓力，德國Bosch制備單晶硅薄膜壓力傳感器，在汽車電子以及手機電子行業應用廣泛。

圖2 作用在軸承內圈的薄膜傳感器運用示意圖

總的來看，目前市面上仍缺乏耐磨防護多功能薄膜傳感器的集成制造和示范應用研究，關鍵薄膜研究尚不足以支撐結構功能一體化薄膜傳感器制造。

4 薄膜傳感器制備工藝的研究

當前制備功能薄膜的技術很多，最普遍使用的是物理氣相沉積(PVD)和化學氣相沉積(CVD)這兩種技術。其中，物理氣相沉積（PVD）具備速度快溫度低損傷少的優勢，與此同時，熱電極材料于熱節點處交叉復合的問題也可以迎刃而解，用該技術來制備薄膜傳感器也廣受歡迎。

物理氣相沉積（PVD）是指通過某種物理手段形成氣態原子、分子和離子。在高真空環境中，這些顆粒會積聚在基板上。該技術的核心是：原材料怎樣轉變為氣態粒子。

此外，制備薄膜時難免會出現無法避免的意外，導致薄膜產生缺陷。缺陷會對其傳感器電學性能有所干擾。消除缺陷最有用的方法是熱處理，它可以優化薄膜的內部結構，從而使性能得到提升，因此，熱處理工藝也當之無愧的成為了薄膜傳感器制備過程中的重點研究對象。

PVD主要分為真空蒸發(Vacuum Evaporation)鍍、濺射鍍（Sputtering Deposition）和電弧離子鍍（Arc Ion Deposition）三大類。

表1 主要PVD沉積方法的對比

5 結構一體化的薄膜傳感器設計制備必要關鍵研究

為實現耐磨防護多功能薄膜傳感器一體化的設計應用，有以下幾方面問題亟待解決。

（1）應做好耐磨防護涂層制備和性能研究，針對不同使用環境，可以應用不同的PVD工藝來制備典型耐磨防護涂層，包括AlTiN（刀具）、CrN（模具、零部件）和DLC（模具、零部件）涂層，優化沉積參數，重點解決低溫沉積（避免傳感器薄膜在高溫下失效）和界面結合問題，獲得良好使役性能的耐磨防護涂層。

圖3 耐磨防護多功能薄膜傳感器示意圖

（2）做好電絕緣層制備和性能研究，采用PVD-ALD復合技術制備電絕緣層；結合雙極脈沖濺射與等離子刻蝕、磁控電弧、脈沖偏壓、氣體反饋控制等技術，通過ALD納米多層封孔，調整PVD/ALD多層涂層結構和厚度，沉積絕緣性能良好、結合力好、厚度低的Cr2O3、Al2O3、AlN或多層絕緣薄膜，測量其絕緣性能、擊穿電壓和高溫、應力下的穩定性。

（3）做好耐磨防護涂層-電絕緣層-金屬基體界面優化設計研究，為改善薄膜傳感器的絕緣層和金屬基體、耐磨防護涂層（AlTiN、CrN、DLC）之間的結合力，采用氣體等離子刻蝕（Ar、O2、C2H2）和加過渡層（Ti、AlN、TiC、AlTiN）方法，研究界面微觀結構和優化規律。

（4）做好多功能傳感薄膜的制備與其性能的研究，利用dcMS技術來制備熱電偶薄膜（Cu/CuNi、NiCr/NiSi）、熱阻薄膜（W）和壓阻薄膜（金屬摻雜DLC、CuMnNi），研究溫度和壓力測量精度與薄膜成分結構、尺寸（長度、寬度、厚度）之間關系及規律。

（5）做好傳感器微納電路的配套制造，用掩模法和激光刻蝕、激光微納制造相結合制備傳感器微納電路，完成傳感薄膜形狀圖案和連接導線的制造。

（6）最后要實現結構功能一體化薄膜傳感器示范應用，要在三維金屬零部件（刀具、模具和轉動主軸）基體上制造結構功能一體化薄膜傳感器，研究其示范應用；獲得刀具、模具和轉動主軸的正常使役性能，及傳感信號的靈敏性和穩定性；探索結構功能一體化薄膜傳感器在實際零部件使役過程中的作用和失效機理。

6 薄膜傳感器未來的發展方向

結構功能一體化溫度壓力薄膜傳感器的設計和制造技術，可實現面向智能制造的結構功能一體化涂層在刀具、模具和零部件產業的示范工程應用，通過產學研結合，研究相關關鍵科學問題，從而在核心技術層面上攻克新型結構功能傳感薄膜材料設計和制造工藝，解決智能制造產業工業傳感器的核心問題，有力推動我國在先進智能制造的快速和持續發展，發揮技術的先進性和示范引領作用，帶動相關技術領域和產業的發展，具有廣闊的應用前景。

但薄膜傳感器的相關技術還有待進一步發展，其主要表現在以下幾個方面。

（1）新結構與新功能的薄膜傳感器設計開發。

（2）薄膜傳感器動態標定理論與相關實驗方法的創新。

（3）薄膜傳感器靈敏度和穩定性的不斷提高與完善。

（4）薄膜傳感器在MEMS中的應用與創新。

結合智能制造目前的大發展趨勢，上述的結構一體化薄膜器又是薄膜傳感器中的新起之秀，未來的薄膜傳感器，必然會以綠色設計為指導原則，向著集成化程度更高，性能更穩定的方向發展，并且竭力去與智能生產與自動化制造相融合。

在工業4.0的新制造業革命潮流之下，新技術的突破與應用事關國計民生，希望薄膜傳感器相關技術的發展可以為我國盡快成為制造業強國的目標貢獻一份重要的力量。