微测辐射热计用氧化钒薄膜的制备及其电阻温度性能研究

【摘要】： 氧化钒薄膜具有高的电阻温度系数(TCR),是制备微测辐射热计的理想热敏感材料。高的电阻温度系数和良好的绝热结构是获得高性能微测辐射热计的前提。本论文采用直流对靶磁控溅射和射频离子束溅射两种方法制备了氧化钒薄膜,研究了高基底温度状态SiO_2和Si_3N_4基底表面对氧化钒薄膜组分的影响,采用热氧化低价态氧化钒薄膜和热还原高价态氧化钒薄膜的方式分别制备了具有相变特性氧化钒薄膜,分析了相变特性氧化钒薄膜的组分、结晶结构对相变温度和室温电阻温度系数的影响,设计与制作了VO_x/PS/Si结构与VO_x/Si结构,并对氧化钒薄膜的温度灵敏度进行了比较,获得了一些有意义的结果。 SiO_2和Si_3N_4基底在500℃高基底温度下,表面活性增加,SiO_2表面参与氧化钒薄膜生长的氧增加,Si_3N_4表面参与氧化钒薄膜生长的氧减少,从而影响其上生长的氧化钒薄膜的成分,相同氧分压下,SiO_2基底表面氧化钒薄膜的价态高于Si_3N_4基底表面氧化钒薄膜的价态;升高基底温度时,SiO_2基底表面氧化钒薄膜的价态升高,Si_3N_4基底表面氧化钒薄膜的价态降低。 分别采用直流对靶磁控溅射制备低价态氧化钒薄膜再附加热氧化处理的方式,和射频离子束溅射制备高价氧化钒薄膜附加热还原处理的方式获得了具有相变特性的氧化钒薄膜,第一种方式获得相变特性氧化钒薄膜的热处理温度最低为300℃,克服了以往高温条件下热处理不能与MEMS工艺兼容的缺点;相变特性氧化钒薄膜的组分以VO_2为主,含有V2O3和VO_,室温TCR为-2.25%/K;室温电阻温度系数随相变温度的降低逐渐升高;采用第二种方式获得的相变氧化钒薄膜的组分以VO_2为主,含有V2O5和V2O3,室温TCR可达-3.0%/K;分析发现,具有相变特性的氧化钒薄膜中含有V2O5时,室温电阻温度系数明显增大。 利用射频离子束溅射方法制备氧化钒薄膜,对氧气比例为48.83%制备的氧化钒薄膜进行连续2次450℃/3h热处理,获得了室温电阻温度系数高达-4.7%/K的氧化钒薄膜。 对比了VO_x/PS/Si结构与VO_x/Si结构中氧化钒薄膜电阻对温度的热敏感性能,研究了多孔硅基底温度升高对氧化钒薄膜组分的影响。多孔硅基底上的氧化钒薄膜电阻具有比硅基底上的氧化钒薄膜电阻更高的温度灵敏度,电阻值随功率的变化率是硅的20倍;通过调节制备条件,在多孔硅基底上获得了适合微测辐射热计应用的氧化钒薄膜;高温状态下,多孔硅表面覆盖的SiO_2层活性高,获得的氧化钒薄膜中钒被氧化的程度更高。