專利名稱：用于惡劣環(huán)境的涂層以及使用所述涂層的傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總地涉及制造用于惡劣環(huán)境的傳感器，并且更具體地，涉及以類金剛石碳涂敷 傳感器以用于工作在惡劣的物理或化學環(huán)境中。
背景技術：
在惡劣的環(huán)境下使用傳感器的需要是普遍的。例子包括被設計為工作在磨蝕環(huán)境、腐 蝕性化學品等中的傳感器、轉(zhuǎn)換器等等。長時間的傳感器工作時常由于與所述環(huán)境的持續(xù) 接觸而受到阻礙。在電聲傳感器(也被稱為聲波器件)領域中該問題尤其嚴重。因此，本 說明書將主要通過使用AWD傳感器來敘述涂層的應用，以緩解與這樣的工作相關的問題。 本領域技術人員將認識到所述涂層對于其他器件的適用性。
壓電傳感器是公知的。它們被用于檢測材料屬性(諸如粘性和密度)，用于檢査環(huán)境 中某些材料的存在，用于測量流體物質(zhì)的純度等等。已知用于聲學傳感的構造(structure) 涵蓋簡單的晶體諧振器、晶體濾波器、聲板波器件、蘭姆波(Lamb wave)器件和其他器 件。簡言之，這些設備包括諸如石英、蘭克賽(langasite)或鈮酸鋰的壓電材料襯底，或 者在非壓電襯底上的諸如氮化鋁、氧化鋅或硫化鎘的壓電材料薄膜。所述襯底具有至少一 個通常是高度拋光的有源(active)壓電表面區(qū)域。形成在該表面上的是輸入和輸出換能 器(transducer)，用于在襯底內(nèi)將輸入電能轉(zhuǎn)換為聲能以及將所述聲能重新轉(zhuǎn)換為電輸出 信號的目的。這些換能器可以由平行板(體波(bulk wave))換能器或周期性叉指型(表 面生成波)換能器構成。每個傳感器具有至少一個被暴露給正被測量的環(huán)境的傳感區(qū)域 (sensingarea)。所述表面與所述環(huán)境的相互作用導致可測量的傳感器電氣特性改變。所 述傳感器可以被用于檢測密度、粘度和其他這樣的物理參數(shù)。
壓電器件一般是由堅硬的結(jié)晶物質(zhì)制造。然而，當暴露給某些化學制品或磨料 (abrasive)時，即使是這些表面也會發(fā)生改變。基于壓電的傳感器非常易受傳感區(qū)域的 改變的影響。因此，到目前為止，它們的使用限制于不會損害這些表面的環(huán)境。損害可以 是化學的(例如蝕刻)或者機械的(例如磨損)。因此，迄今為止，由于所述傳感器會遭 受隨時間的高度可變性，這些傳感器的使用在這樣的環(huán)境中受限，所述環(huán)境如鉆探泥漿或 油的特性的油井測量，墨(ink)、熔融聚合物和類似研磨材料的特性的檢測。其他可以 損壞這些傳感器的環(huán)境是化學反應性材料，例如強酸，以及在聚合物加工、紙漿和造紙加 工以及其他工業(yè)和化學工藝中使用的堿(base)。此外，在大多數(shù)期望的傳感器拓撲中對 傳導性電極或屏蔽層的需要引起對化學侵襲和/或研磨的進一步易感性(susceptibility)， 因為實質(zhì)上所有金屬均具有一項或更多項化學易感性，和/或是柔軟的易磨損材料。對液
相傳感進一步的普遍要求是傳感表面足夠光滑(smooth)。很多液相AWD傳感器要求納 米級或更低的平均粗糙度。
在大多數(shù)期望的傳感器拓撲中采用的電極普遍由通過任何方便的方法沉積的金(Au) 制成。在很多情況下，電極不得不與環(huán)境電絕緣。
將表面、器件、電極等與有害環(huán)境絕緣的工作通常是通過像塑料、玻璃或類似材料的 涂層來完成的。然而，這樣的涂層常常干擾傳感器的工作。例如在AWD類傳感器中，涂 層必須具有不顯著妨礙傳感器工作的聲學特質(zhì)以及期望的硬度、韌性、電氣特性等等。塑
料和玻璃招致過度的阻尼，并且既非總是耐化學性的，又非足夠堅硬。
類金剛石碳(或之后稱為DLC)是眾所周知的涂敷材料。DLC具有高的硬度，并且 因此具有高的耐磨性，它可以以光滑的方式涂覆，并且一般提供厚度可以根據(jù)需要進行調(diào) 整的優(yōu)秀涂層。DLC是使用諸如蒸發(fā)、離子注入等普通方法來沉積的。
某些材料不會良好地互相粘附。DLC遭受到對像金、鉑、銀、大多數(shù)氧化物的材料和 很多其他材料、特別是在AWD傳感器等中普遍使用的壓電材料的差的粘附性的困擾。因 此，盡管DLC無疑提供所要求的耐磨性，但是在DLC層和壓電材料或沉積在這樣的壓電 材料上的電極之間提供足夠的(adequate)粘附性方面存在問題。另外，不同涂敷材料具 有不期望地大的離子遷移問題，該問題負面影響期望涂層的電氣特性或聲學特性。
如Mirjami Kiuru的博士論文"EXPERIMENTAL STUDIES ON DIAMOND-LIKE CARBON AND NOVEL DIAMOND-LIKE CARBON-POLYMER-HYBRID COATINGS (對
類金剛石碳和新型類金剛石碳-聚合物-混雜涂層的實驗研究)"，赫爾辛基大學(2004) 中所示出的，已經(jīng)論證了這樣的可移植醫(yī)療設備，所述醫(yī)療設備具有在薄的(幾納米)粘 附層上的相對厚的(在數(shù)微米到數(shù)百微米的數(shù)量級)DLC涂層。用于這樣的涂層的典型襯 底是諸如鈦制髖部的難熔(refractory)金屬部件。當這些涂層被施涂到半導體器件時，所 述膜是極度不可靠的。這些涂敷膜常常遭受剝離的困擾，并且在一些情況下導致硅襯底破 損。
因此，存在著對這樣的傳感器的持續(xù)且尚未解決的需求，所述傳感器能夠持續(xù)工作在 廣泛范圍的化學、熱和機械上惡劣的環(huán)境下。
因此，本發(fā)明的目標在于提供一種涂層，當被施涂到傳感器的傳感區(qū)域時，所述涂層 提供上述特性。因為沒有單一材料提供所有的理想屬性，所以很多應用最終需要一系列的 層，放松對各個層的要求，但是進一步要求多個層之間的相容性。優(yōu)選地，所述涂層應該 足夠光滑以解決液相傳感器應用問題。
很多這樣的聲學傳感器在傳感表面上使用電極，并且本發(fā)明所提供的涂層特別有益于 這樣的傳感器。本領域技術人員將認識到，術語電極可以指地電極、換能器(特別是在有 源驅(qū)動或被驅(qū)動電極的情況下)、其他在壓電晶體中導致擾動或反射的構造，或者其他運 載電能或?qū)⑵溥f送到預定點的導體。
本發(fā)明的另一目標是提供具有光滑的(優(yōu)選為納米級別)傳感表面的傳感器，所述傳 感器具有優(yōu)秀的耐磨性、優(yōu)秀的耐化學性，以及耐受極值從-5(TC到+35(TC的溫度的能力。 合適的涂層包括硅-氮氧化鋁(SiA10N)的合金(包括氮化硅、氧化鋁等的極端情況)、 無定形氮化硼、無定形和納米結(jié)晶碳、碳化硼(包括硼摻雜的金剛石和硼摻雜的DLC類) 和P -C3N4。所有這些材料提供耐磨性和熱穩(wěn)定性以及可變程度的耐化學性。
在這些涂層中，發(fā)現(xiàn)所謂的類金剛石碳(DLC)提供最好的表面光滑度、耐化學性和 耐磨性屬性。盡管關于類金剛石的確切定義存在相當多的爭論，但是就本發(fā)明的目的而言， 它應該被視為意指所有具有摩爾百分數(shù)大于75%的碳并且具有石墨(SP2)和金剛石(SP3) 的混合化學鍵狀態(tài)的膜。應該注意，該術語還延伸到各種類金剛石碳的改性體，例如硼摻 雜的金剛石(BDD)、富碳難熔金屬碳化物等等。
類金剛石碳良好地粘附于形成碳化物的金屬，所述金屬按照典型的粘附強度按遞增順 序排序如鎢、鉬、鉭、鈮、釩、鉿、鋯、鈦和鉻。傳統(tǒng)地，這些金屬被用于所謂的粘附層。 這些金屬的粘附強度直接與它們與鄰近材料互擴散以及熔合(alloy)的能力成比例。
粘附層到DLC膜的互擴散是不期望的，因為它引起不穩(wěn)定的膜屬性和差的老化特性。 特別期望的是，下層金屬具有低的在碳中的遷移率(mobility)，并且該金屬將具有低的 向碳的遷移率——在高溫下可能變得關鍵的一種狀況。因此，以實施例的方式，盡管鈦和 鋯提供優(yōu)秀的粘附性，但是它們在碳中過度移動，在高溫下反之亦然。另一方面，鎢是優(yōu) 秀的阻擋金屬(具有低的遷移率，并且阻止其他原子擴散進入或穿過它)；然而，鴇具有 最差的粘附性。鈮和鉭是優(yōu)選用于在類金剛石碳之下的阻擋/粘附層的金屬。
鈮和鉭提供良好的耐化學性和對最外部DLC層的優(yōu)秀的粘附性。對屏蔽來講，這兩 種材料均具有足夠的傳導性，但是對于很多電極的要求不夠充分(inadequate)。在這些 情況下，要求具有耐化學性和高傳導性的最內(nèi)部熱穩(wěn)定材料層。盡管鋁經(jīng)常用作電極材料， 但是它在化學上是活躍的，并且在升高的溫度時是高度可移動的。優(yōu)選的金屬是金和鉑， 但是對一些優(yōu)選實施方案來說銀和鈀也是可接受的。鉑具有最有利的屬性，而金被更普遍 地采用。釕、銠、錸、鋨和銥也可以證實在特定應用中是期望的。
將涂層施涂到壓電材料的操作存在另一問題，該問題源自于與DLC相關聯(lián)的極度高 的膜應力，以及DLC和普遍采用的這樣的金屬或壓電材料之間的熱膨脹性顯著失配。因 此，本發(fā)明的優(yōu)選實施方案應用相對薄的(薄于lym) DLC涂層和與傳統(tǒng)采用的(約 200nm)相比較厚的粘附/阻擋金屬體系。
可以通過薄的鉻或鈦粘附層來提高鉭對金或鉑的粘附性以及電極對壓電襯底的粘附 性。最優(yōu)選的實施方案由薄的(大約10nm)鈦、鋯或鉻層，傳導性的(50-200nm)金或 鉑電極層，另一薄的(大約10nm)鈦、鋯或鉻層，鈮或鉭的阻擋層(25-300nm)以及DLC 表面(10-500nm)組成。
DLC的確切組成是選擇的問題。薄膜開發(fā)方面的現(xiàn)有技術建議了范圍從百萬分之幾到 百分之幾的氮或各種金屬的多種摻雜或表面處理。關于薄膜的細節(jié)可以在Daniel Nilsson 的博士論文"Synthesis and Evaluation of TaC:C Low-Friction Coatings (TaC:C低摩擦涂層 的合成和評估)"，ActaUniversitatis Upsaliensis (2004)中找到。已經(jīng)考慮了從痕量水平 直至67原子百分數(shù)(全氟烷)的氟摻雜劑。當原子百分數(shù)的碳最大化時，這樣的膜的耐 磨性和耐化學性表現(xiàn)得最好。
僅具有33%碳的膜包括碳氫化合物和碳氟化合物(例如Teflon )的限制，并且不具 有耐磨性。范圍在33%到66%碳的膜是碳化物合金的特征。這些膜極度堅硬，但是不像 DLC那么耐化學性或者熱穩(wěn)定。在很多情況下，所述表面并非如真正的DLC那樣光滑。 因此，在本文中，僅僅在他們本體(bulk)中包含大致67%或更高百分數(shù)的碳的膜被特定 地視為"DLC"。我們關于鉅摻雜的膜和氟摻雜的膜的經(jīng)驗指示，所述膜應該優(yōu)選地具有 超過90%的碳，并且最優(yōu)選的實施方案具有超過97%的碳。
盡管耐化學性和鈍化一般偏向于從純碳DLC獲得的絕緣層，但是某些在電化學傳感 器(特別是電化學-AWD混雜)中使用碳電極的傳感器應用要求可傳導的DLC層。硼摻 雜的(~1019cnf3，符合硅摻雜水平，達到P/。B; 99%C)金剛石是用于電化學和/或聲學傳 感器的合適材料，并且被視為DLC的一種類型。
本發(fā)明的進一歩的目標包括將化學選擇性探測器附著到DLC表面的能力。
因此，在本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于有涂層的聲波器件(AWD)的傳感器， 所述傳感器包括至少一個具有兩個相反面的壓電板，所述兩個面中的一個具有傳感區(qū)域， 所述傳感器具有施涂于所述傳感區(qū)域的涂層，所述涂層的特征在于沉積在所述傳感區(qū)域 上的第一電極；沉積在所述第一電極之上的阻擋層，所述阻擋層包括至少一種選自由鉭、 鈮、釩、鉬或其組合所組成的組的金屬；以及耐磨層，所述耐磨層包括沉積在所述阻擋層 之上的類金剛石碳(DLC)。
可選地，所述涂層還包括沉積在所述阻擋層和所述電極之間的粘附層。進一步可選地， 可以在所述電極和和所述傳感面之間沉積另一粘附層。所述兩種粘附層可以是鈦、鋯、鉻、 釩、鈮、鉭或鉬或其組合。
優(yōu)選地，所述第一電極包括選自由鉑、鈀、金、銀、銅、鋁、鋨、銥或其組合所組成 的組的金屬?？蛇x地，所述DLC可以是硼摻雜的金剛石。進一步可選地，化學選擇性探
測器被耦合到DLC。
在本發(fā)明的優(yōu)選實施方案中，提供了一種如上所描述的有涂層聲波器件傳感器，所述 聲波器件傳感器具有第二電極，所述第二電極沉積在與包括所述傳感區(qū)域的面相反的面 上，以所述第一和第二電極形成平行板諧振器?？蛇x地，所述第三電極沉積在與包括所述 傳感區(qū)域的所述面相反的面上，其中所述第一和第二電極形成充當輸入換能器的輸入平行 諧振器，所述第一和第三電極還形成充當輸出換能器的輸出平行諧振器；其中所述輸入和 輸出諧振器足夠靠近，以將聲能從所述輸入諧振器耦合到所述輸出諧振器中，用于形成多 極耦合的諧振器濾波器。
在本發(fā)明的另一方面，提供了一種鈍化電極的方法，所述方法的特征在于以下步驟 將阻擋層沉積到所述電極上，所述阻擋層包括至少一種選自由鉭、鈮、釩、鉬或其組 合所組成的組的金屬；以及
將包括類金剛石碳(DLC)的耐磨層沉積到所述阻擋層上。
可選地，所述方法還包括在所述電極和所述阻擋層之間沉積粘附層的歩驟。最優(yōu)選地， 所述電極被耦合到基于聲波器件的傳感器?？蛇x地，所述方法還包括將化學選擇性探測器 沉積到所述DLC層上的歩驟。


參照所包括的描繪優(yōu)選實施方案細節(jié)的附圖，將更好地理解上面的概述以及下面的詳 細描述。然而，應該注意，本發(fā)明不限于附圖中所示出的精確方案，并且附圖僅僅作為實 施例被提供。
圖1描繪利用根據(jù)本發(fā)明的最優(yōu)選實施方案的涂層的聲學傳感器的簡化正面截面視圖。
圖2描繪根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施方案涂敷傳感器的過程。
具體實施例方式
本發(fā)明的重要目標是提供具有這樣的光滑(納米級)表面的AWD和其他傳感器，所 述光滑表面具有優(yōu)秀的耐磨性、優(yōu)秀的耐化學性以及經(jīng)受寬的溫度范圍(其中從-5(TC至 35(TC的范圍最為優(yōu)選)的能力。雖然本發(fā)明的一個方面涉及直接涂敷壓電材料，但是優(yōu) 選的實施方案涉及涂敷一個或更多個沉積在壓電材料上的電極。圖1描繪了這種優(yōu)選的傳 感器75的橫截面。
最優(yōu)選的傳感器幾何結(jié)構要求具有優(yōu)秀的電氣特性的電極位于傳感區(qū)域上。在那些幾 何結(jié)構中，具有耐化學性和高傳導性的熱穩(wěn)定材料的最內(nèi)部的電極層30被沉積在傳感面
65或其一部分上。銀和鈀是提供這樣的特性的實施例，但優(yōu)選的實施方案使用金或鉬。鉬 具有最有利的屬性，而金被更普遍地采用。其他候選材料包括具有必需的熱穩(wěn)定性和針對 變化的環(huán)境的穩(wěn)定性以及傳導性屬性的釕、銠、錸、鋨和銥。特別的，電極層不需要擴展 至整個傳感區(qū)域，并且電極層不是必須被用作電極，即，它們不是必須電連接到傳感器電 路的任何一部分。
類金剛石碳良好地粘附到形成碳化物的金屬上，以非限制性實施例的方式，所述金屬 例如鉭(Ta)、鈮(Nb)、釩(V)、鉿(Hf)、鋯(Zr)、鈦(Ti)、鎢(W)、鉬(Mo)和鉻(Cr)。但是類金 剛石碳不能良好地粘附到金、鉑、氧化物或大部分壓電材料上。因此，本發(fā)明考慮以形成 碳化物的金屬(例如上文描述的那些)制成的中間阻擋層。阻擋層40位于外部層50和要 被涂敷的基底材料10的傳感面65之間，并且，如果使用電極層，則該阻擋層覆蓋于電極 層上。除向電極層和/或壓電材料提供良好的粘附性和增強的保護之外，阻擋層還作為匹 配介質(zhì)，以使DLC的熱膨脹和膜應力與在阻擋層下面的層匹配。
為了清楚，在這些說明中，術語外部層指如上面所描述的高耐磨性材料制成的涂層。 然而，認識到可以在'外部層'50的頂部覆蓋(DLC或其他材料制成的)其他涂敷層是 重要的，并且術語'外部(outer)'應該僅被廣泛地解讀為指與阻擋層40交界(interface with)的、遠離基底材料10的層。如下面所描述的，所述交界可以是直接的或間接的。
為獲得最佳的涂層穩(wěn)定性，在下面的阻擋層優(yōu)選地具有在碳中低的遷移率，并且碳具 有向所述阻擋層的低遷移率。這是在高溫下的一個重要考慮因素。因此，鈮和鉭是用于在 類金剛石碳下的阻擋層的優(yōu)選金屬。還考慮使用釩(V)作為阻擋金屬，因為它在元素周期 表中的同一族，并且由于在元素周期表中難熔金屬屬性通常是循對角線而不是垂直的，所 以鉬(Mo)被考慮作為阻擋金屬。在寬溫度范圍上對擴散穩(wěn)定的薄碳化物合金界面被形成 于這些金屬和DLC層之間。這些金屬與鈦、鋯和鉻相比有較低的與碳的反應性，但比鎢 更具粘附性。
源于使用鈮和鉭的額外的益處是NbC和TaC的體積與所述金屬和碳的體積之和相當。 相反，鈦、鋯和絡形成鍵長比塊體金屬(metal bulk)和塊體碳(bulk carbon)的鍵長短的 碳化物，當金屬與碳相互擴散并形成碳化物時引起逐漸的尺寸變化。因此，優(yōu)選實施方案 中的薄膜具有長期處于高溫下的尺寸穩(wěn)定性。應注意，在某些實施方案中，鈮層或鉅層可 以作為電屏蔽層(shield)，但是它通常不提供足夠且穩(wěn)定的導電性來作為良好的電極。 這種效應與金屬被沉積時的部分氧化以及相關聯(lián)的膜電阻有關。
中間層40向電極層30的粘附以及電極層向基底材料10的粘附可以通過沉積可選的 鉻、鋯或鈦的薄粘附層而被改進。粘附層20可以僅被沉積在阻擋層40和電極30之間， 或者如在電極和傳感區(qū)域65之間的粘附層21所示那樣被沉積，或者優(yōu)選地使用兩者。
因此，最優(yōu)選的實施方案包括沉積于傳感區(qū)域65作為粘附層的薄鈦層21。優(yōu)選地，
粘附層21的厚度在3nm-30nm范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選在5nm-15nm范圍內(nèi)，其中最優(yōu)選的 實施方案為約10nm。傳導性金膜或鉑膜30被沉積在粘附層21的頂部以形成電極。優(yōu)選 地，電極30的厚度在10nm-300nm范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選在50nm-200nm范圍內(nèi)，其中最 優(yōu)選的實施方案為約50nm -150nm。另一薄鈦粘附層20位于電極層之上，且優(yōu)選地具有 與粘附層21類似的特性。由鈮或鉭制成的阻擋層40位于粘附層20之上。優(yōu)選地，阻擋 層40的厚度在25nm-300nm范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選在50nm-250nm范圍內(nèi)，其中最優(yōu)選的 實施方案為約150nm。由DLC制成的外部層50被置于阻擋層的頂部。優(yōu)選地，外部層 50的厚度在10nm-500nm范圍內(nèi)，并且更優(yōu)選在50nm-250nm范圍內(nèi)，其中最優(yōu)選的實施 方案為約150nm。值得注意的是，粘附層20和21是可選的。
DLC的確切組成是技術選擇的問題。薄膜開發(fā)的普遍經(jīng)驗建議了許多可選的摻雜劑或 表面處理劑(從百萬分之幾到百分之幾的氮或各種金屬)。氟摻雜劑已經(jīng)被考慮從痕量水 平直至67原子百分數(shù)(全氟垸)，其中只有低濃度(<20%)的是實用的。尤其令人感興 趣的是，達到"/。的硼摻雜提供DLC涂層的可傳導版本(被稱為硼慘雜的金剛石)。這樣 的膜尤其適用于電化學方法向AWD的整合。
碳膜的未終止自由鍵將與空氣中的氫(來自酸性水氣)反應而被鈍化。如果期望的話， 其他的層可以被附著在外部DLC層上。在這種鈍化之前，所述多個表面將與溴代、碘代 和氯代的功能化分子反應，以非限制性實施例的方式，所述功能化分子包括碘代氟垸、氯 代硅垸和溴代全氟聚醚。硅垸化學法是一種引入多種包括羧基和胺基的功能表面的公知方 法。針對生化選擇性傳感而使用肽鍵來附著生物接受器和針對化學選擇性傳感而使用肽鍵 來附著聚合物膜則是公知的延伸。
具體來說，功能化氯代硅垸(ClSi(CH3)2-R)通過形成C-Si鍵并生成(evolve) HC1 來與氫封端的碳表面進行反應。然后，官能團R被用于種種公知的化學合成歩驟中。雖然 以共價鍵方式附著的單層的耐化學性和耐磨性不如DLC表面，但是它非常魯棒(robust)。
在一個優(yōu)選的實施方案中，化學選擇性探測器被附著到DLC表面。有可能用包括胺 基和羧基的化學官能團終止新近沉積的DLC膜，允許附著更多特定化學性的層。因此， 以實施例的方式，使用普遍可獲得的諸如C1(CH3)2-Si-(CH2)2NH2的化合物來將-NH2附著 到表面上，然后，利用肽鍵形成來附著生物接受器是可能的。琥珀酸酐(succinnic acid anhydride)被用于形成-NH-C二0-(CH2)2-COOH表面官能團。然后，這些酸性殘基可以被 結(jié)合到蛋白質(zhì)(抗體，抗原，酶)上的-NH2殘基或以合成的方式附著到DNA或肽核酸(PNA) 探測器上。最終的連接階段(couplingstage)使用水溶性的碳二酰亞胺來催化?？商鎿Q地， 羧基可以與胺在對目標被測對象具有優(yōu)先吸附的聚合物膜上反應。 一個這樣的實施例是針 對環(huán)境傳感選擇對氯代烴類具有優(yōu)先吸附的聚合物。另一個實施例是用于測量汽油和其他 燃料中含水量的親水性涂層。
一般的傳感器和特別的液相傳感器常常被用于惡劣環(huán)境中，所述惡劣環(huán)境例如用于井
內(nèi)測量的原油漿和鉆探泥漿、研墨、酸等。這樣的傳感器的長期穩(wěn)定性在很大程度上取決 于保持一個或多個傳感區(qū)域的光滑和一致特性的能力。如所描述的，連同AWD類傳感器 來使用涂層提供顯著的優(yōu)點，因為其允許傳感器工作在迄今為止對被檢測參數(shù)曾缺乏容易 且連續(xù)的覆蓋的區(qū)域中。以實施例的方式，由根據(jù)本發(fā)明的教導所涂覆的AWD傳感器所 使能(enable)或改進的用途包括在金工應用中監(jiān)測"切削液"，在制造鈦和其他漿液時 的過程控制，包括鉆探泥漿的產(chǎn)油應用，紙張涂布工藝，強腐蝕性化學過程等。雖然上述 益處對于諸如以上描述的惡劣環(huán)境來說是最明顯的，但是較低要求的傳感應用(例如包括 諸如機油監(jiān)測的汽車傳感器)也會從得益于更長的傳感器壽命。
建立涂層的優(yōu)選工藝在圖3中示出。首先，清潔300襯底(substrate) —傳感器傳感 區(qū)域或任何要被涂覆的表面。通常這一歩驟被這樣實施利用溶劑洗滌劑和水漂洗劑，然 后優(yōu)選地在真空中通過氧/氬等離子蝕刻。
可選地，隨后將由鉻(Cr)或鈦(Ti)構成的第一粘附層21沉積305在表面上。鋯(Zr)也 是可應用的，并且在一些情況下鉿(Hf)、鈮(Nb)和鉭(Ta)也是適合的，但鉻對于中等溫度 來說最常用，而鈦被認為最適用于高溫。
然后，電極30被沉積310在第一粘附層之上(如果使用了粘附層的話)。如所描述 的，對于傳導性電極來說存在許多選擇，包括鉑(Pt)、鈀(Pd)、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)和 鋁(AI)，以及更不穩(wěn)定的導體，例如釕(Ru)、銠(Rh)、錸(Re)、鋨(Os)和銥(Ir)。鋁(A1)是最 便宜的材料，但由于它具有化學反應性，并且具有向鄰近材料的高擴散性，所以有時它是 不理想的。鉑(Pt)和鈀(Pd)是最穩(wěn)定的選擇，而金(Au)是最普通使用的，并且是針對除最惡 劣的環(huán)境和溫度以外的所有條件的優(yōu)選實施方案。
注意電極區(qū)可以使用各種光刻方法被選擇性地沉積，以僅僅覆蓋表面上的特定圖樣。 這樣的圖樣可以包括換能器、電化學電極、電路、天線等。
可選地，如曾關于第一粘附層21所描述的，第二粘附層20可以被沉積215在電極和 阻擋層之間，然而，在一些應用中，釩、鉬、鈮或鉭制成的阻擋層直接粘附于電極層。
如所描述的，阻擋層40被沉積220在電極之上，并且如果可應用的話，被沉積在第 二粘附層之上，以將電極層30和/或粘附層20與外部DLC層50隔離。普遍地，鉤(W)和 鉑(Pt)被用作阻擋金屬。然而，鎢和鈀兩者都遭受到對DLC的差的粘附性的困擾。另外， 由于長期的相互擴散，在鎢和DLC之間使用由鈦或鉻制成的粘附層在較高溫下是不可接 受的。因此，本發(fā)明的這一方面的優(yōu)選實施方案使用鈮或鉭作為阻擋層。釩和鉬也可以是 合適的。
然后，DLC層被沉積225在阻擋層之上，以提供期望的機械特性。工藝的適當選擇允 許阻擋金屬表面通過形成薄的(通常大約5nm)、穩(wěn)定的碳合金過渡區(qū)來提供優(yōu)秀的DLC 直接粘附。
在最優(yōu)選的實施方案中，所述多個層的次序如下開始于基底材料IO，約3nm-30nm 厚的第一鈦粘附層21，約10nm-300nm厚的金或鉑電極層30，約3nm-30nm厚的第二鈦 粘附層20，約25nm-300nm厚的鉭阻擋層40，以及最終的約10nm-500nm厚的DLC層。
在本發(fā)明的再一方面，施涂所述涂層以鈍化至少一個沉積在諸如印刷電路板的材料或 其他暴露在腐蝕性、爆炸性或其他惡劣環(huán)境中的材料上的電極。根據(jù)本發(fā)明，涂層的進一 步的應用是用于為工具提供涂層等。
以下是優(yōu)選用于實施本發(fā)明的材料列表。然而，應該注意，此列表僅僅涉及優(yōu)選的材 料，并且從本質(zhì)上它不應被解讀為限制性的。
用于可選的粘附層20和21的粘附促進劑(promoter):鈦、鋯、鉻、釩、鈮、鉭。
傳導性電極層30:鉑、鈀、金、銀、銅、鋁。上述金屬的合金也被廣泛地使用，還有 鋨、銥等，并且本發(fā)明延伸至此。
阻擋層40:鉭、鈮、釩、鉬。
本領域技術人員將意識到，以上所提供的優(yōu)選實施方案是以非限制性實施例的方式提 供的，并且這些說明的教導將允許技術人員為滿足涂層或有涂層器件需要達到的特定需求 而生產(chǎn)各種材料。相似地，本領域技術人員將意識到，雖然所述說明主要涉及傳感器，并 且時常更特別地涉及AWD類傳感器，但所描述的涂層完全可應用于許多其他可以從DLC 層的機械強度和光滑度獲益的應用，可是遭受到對DLC的差的粘附性的困擾。因此，本 發(fā)明應被看作延伸至這樣的實施方案以及本文中所提供的教導的類似衍生方案。為獲得特 定的特性，本領域技術工人將很可能應用滿足特定要求的各種材料的組合以及不同的涂層 厚度。然而，本發(fā)明也延伸至這些修改。
雖然已經(jīng)描述了目前被認為是本發(fā)明的優(yōu)選的實施方案，但對本領域技術人員來說這 是顯而易見的，即在不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對本發(fā)明做出各種其他的實 施方案、變化和修改，并且因此，本發(fā)明的范圍旨在覆蓋所有這些落入本發(fā)明真正的精神 和范圍中的變化和修改，針對此而申請專利特許證。
權利要求
1.一種基于有涂層聲波器件(AWD)的傳感器，所述傳感器包括至少一個具有兩個相反面的壓電板，所述兩個面中的一個具有傳感區(qū)域，所述傳感器具有涂覆在所述傳感區(qū)域的涂層，所述涂層的特征在于沉積在所述傳感區(qū)域上的第一電極；沉積在所述第一電極之上的阻擋層，所述阻擋層包括至少一種選自由鉭、鈮、釩、鉬或其組合所組成的組的金屬；以及耐磨層，所述耐磨層包括沉積在所述阻擋層之上的類金剛石碳(DLC)。
2. 根據(jù)權利要求1的有涂層聲波器件傳感器，其中所述涂層還包括沉積在所述電極 和所述傳感區(qū)域之間的粘附層。
3. 根據(jù)權利要求1或2的有涂層聲波器件傳感器，其中所述涂層還包括沉積在所述 電極和所述阻擋層之間的粘附層。
4. 根據(jù)權利要求2或3中任一項的有涂層聲波器件傳感器，其中所述多個粘附層中 的任何一個包括選自由鈦、鋯、鉻、釩、鈮、鉭或其組合所組成的組的金屬。
5. 根據(jù)權利要求2-4中任一項的有涂層聲波器件傳感器，其中所述第一電極包括選 自由鉑、鈀、金、銀、銅、鋁、釘、錸、鋨、銥或其組合所組成的組的金屬。
6. 根據(jù)前述權利要求中任一項的有涂層聲波器件傳感器，其中所述DLC包括硼慘雜 的金剛石。
7. 根據(jù)前述權利要求中任一項的有涂層聲波器件傳感器，其中所述聲波器件傳感器 還包括第二電極，所述第二電極沉積在與包括所述傳感區(qū)域的面相反的面上，用于以所述 第一和第二電極來形成平行板諧振器。
8. 根據(jù)權利要求7的有涂層聲波器件傳感器，還包括第三電極，所述第三電極沉積 在包括所述傳感區(qū)域的面相反的面上，其中所述第一和第二電極形成輸入平行諧振器； 所述第一和第三電極形成輸出平行諧振器；所述輸入和輸出諧振器足夠靠近，以將聲能從所述輸入諧振器耦合到所述輸出諧振器 中，用于形成多極耦合的諧振器濾波器。
9. 根據(jù)前述權利要求中任一項的有涂層聲波器件傳感器，其特征還在于耦合到所述 DLC層的化學選擇性探測器。
10. 根據(jù)前述權利要求中任一項的有涂層聲波器件傳感器，其中所述受保護的電極被 連接為電化學測量中的工作電極。
11. 一種鈍化電極的方法，所述方法的特征在于以下步驟將阻擋層沉積到所述電極上，所述阻擋層包括至少一種選自由鉭、鈮、釩、鉬及其組 合所組成的組的金屬；以及將包括類金剛石碳(DLC)的耐磨層沉積到所述阻擋層上。
12. 根據(jù)權利要求11的方法，還包括沉積粘附層的步驟，所述粘附層設置在所述電 極和所述阻擋層之間。
13. 根據(jù)權利要求12的方法，其中所述粘附層包括選自由鈦、鋯、鉻、釩、鈮、鉭 或其組合所組成的組的金屬。
14. 根據(jù)權利要求11-13中任一項的方法，其中所述DLC是硼摻雜的金剛石。
15. 根據(jù)權利要求11-14中任一項的方法，其特征在于所述電極被沉積在聲波器件上。
16. 根據(jù)權利要求11-15中任一項的方法，其特征還在于將化學選擇性探測器沉積到 所述DLC層上的歩驟。
17. 根據(jù)權利要求11-16中任一項的方法，其特征還在于采用所述DLC層作為電化 學測量中的工作電極。
全文摘要
一種提供高耐磨性和耐化學性的涂層，所述涂層由選自釩、鉬、鈮、鉭等的阻擋層(40)和類金剛石碳的外部層(50)構成。所述涂層尤其可應用于基于聲波器件(AWD)的傳感器，以及可應用于鈍化電極(例如沉積在AWD傳感區(qū)域上的電極(30))。所述涂層為涂敷聲波器件提供優(yōu)秀的機械和聲學特性，允許所述傳感器可以在惡劣的環(huán)境中工作。
文檔編號G01N29/32GK101180532SQ200680017994
公開日2008年5月14日 申請日期2006年4月20日 優(yōu)先權日2006年4月20日
發(fā)明者J·C·安德烈, J·H·布拉德肖, R·B·哈斯克爾 申請人:多弗電子股份有限公司