郇靖，陳思?jí)?，吳正?/p>

（廣東工業(yè)大學(xué)，廣東 廣州 510006）

制造業(yè)的革命，往往伴隨著生產(chǎn)技術(shù)的重要突破。

歷史上曾出現(xiàn)過三次工業(yè)革命，十八世紀(jì)四十年代第一次工業(yè)革命發(fā)生于英國(guó)，該次工業(yè)革命中蒸汽機(jī)在市場(chǎng)上廣受歡迎，同時(shí)也幫助英國(guó)邁入了世界上第一批工業(yè)國(guó)家的行列；19世紀(jì)后半葉直到20世紀(jì)初這半個(gè)世紀(jì)中，隨著生產(chǎn)力的進(jìn)步，第二次工業(yè)革命得以產(chǎn)生，其代表是電力電能的首次發(fā)明以及普遍使用，與此同時(shí)也意味著資本主義世界體系的確立，世界的聯(lián)系緊密逐步實(shí)現(xiàn)了整體化；第三次工業(yè)革命發(fā)生于20世紀(jì)中葉，美國(guó)作為該次工業(yè)革命的起源國(guó)家，此次工業(yè)革命期間，航天航空、計(jì)算機(jī)以及原子能等方面的技術(shù)日益完善，推動(dòng)了全球的社會(huì)生產(chǎn)關(guān)系的變化。第四次工業(yè)革命是通過物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、機(jī)器人和人工智能等技術(shù)改變社會(huì)生產(chǎn)方式。以網(wǎng)絡(luò)、信息和智能的緊密聯(lián)系為重點(diǎn)。包括中國(guó)在內(nèi)的全球主要工業(yè)國(guó)家都啟動(dòng)了新型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型和結(jié)構(gòu)調(diào)整的建設(shè)。它在制造工藝、終端產(chǎn)品、生產(chǎn)設(shè)備、數(shù)據(jù)分析平臺(tái)和價(jià)格鏈方面改變了全球范圍內(nèi)大的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境。

1 新時(shí)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(yè)博展會(huì)，德國(guó)提出了“工業(yè)4.0”概念，其技術(shù)基礎(chǔ)是網(wǎng)絡(luò)智能實(shí)體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)。網(wǎng)絡(luò)智能實(shí)體系統(tǒng)及物聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建需要大量的數(shù)據(jù)傳輸以及獲取，數(shù)據(jù)的獲取需要大量的傳感器才能達(dá)到萬物互聯(lián)。

“中國(guó)制造2025”是我國(guó)實(shí)施制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略第一個(gè)10年的行動(dòng)綱領(lǐng)。傳感器的大量應(yīng)用是為實(shí)現(xiàn)我國(guó)能夠成為“制造強(qiáng)國(guó)”宏偉目標(biāo)之必然的趨勢(shì)，特別是能實(shí)時(shí)的檢測(cè)以及控制工業(yè)生產(chǎn)過程中的傳感器是我國(guó)目前智能制造發(fā)展的短板。2010年起中國(guó)已成為世界第一制造大國(guó)，但高新板塊仍與發(fā)達(dá)國(guó)家存在較大差距，智能化制造引發(fā)的制造產(chǎn)業(yè)革命，亦是實(shí)現(xiàn)我國(guó)制造產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的絕佳良機(jī)，不管是物聯(lián)網(wǎng)還是數(shù)字化制造，最前端都將是智能化，然而智能化的前提是大數(shù)據(jù)的獲取以及數(shù)據(jù)庫的建立，所以這些都離不開傳感技術(shù)。

2 薄膜傳感器的研究?jī)r(jià)值

目前市場(chǎng)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(yuǎn)，無法正確反映工具和機(jī)械零部件的溫度、壓力等實(shí)時(shí)工作狀態(tài)，我們迫切地需要可實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)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(huì)采用高分子或者金屬特殊封裝，在高載荷、摩擦、高溫、腐蝕環(huán)境中會(huì)失真、失效甚至根本無法使用。所以嵌入式的耐磨防護(hù)薄膜傳感器可以在這些惡劣的工作環(huán)境進(jìn)行傳感信號(hào)的穩(wěn)定傳輸。

研究此類薄膜傳感器有著非凡的戰(zhàn)略意義。首先，符合國(guó)家戰(zhàn)略需求，制造業(yè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)根本。攻克結(jié)構(gòu)功能一體化薄膜傳感器技術(shù)，完全符合《中國(guó)制造2025》中提到要大力發(fā)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(qiáng)國(guó)的目標(biāo)所邁進(jìn)；其次，科學(xué)價(jià)值與經(jīng)濟(jì)效益，本項(xiàng)目研究成果可解決芯片基傳感器與工業(yè)級(jí)防護(hù)涂層結(jié)合遇到的基礎(chǔ)科學(xué)問題，對(duì)智能制造領(lǐng)域發(fā)展有重要科學(xué)價(jià)值；最后，發(fā)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(fā)達(dá)國(guó)家保護(hù)主義抬頭，在政治、經(jīng)濟(jì)及技術(shù)方面給中國(guó)制造各種壁壘，相關(guān)的研究有助于我國(guó)突破相關(guān)技術(shù)封鎖，有重要的政治外交效益。

3 薄膜傳感器國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

自1990年起，中國(guó)便已經(jīng)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(yīng)用效果的靈敏度與線性度不樂觀。21世紀(jì)，許多高校、研究所以及企業(yè)都在高性能傳感器上投入了很多精力，研制出了能在300℃環(huán)境下使用的高溫壓力傳感器，并在軍事系統(tǒng)上取得了良好的效果，其中沈陽工業(yè)大學(xué)制備出多晶硅高溫壓力傳感器、電子科技大學(xué)制備出了MnCu合金薄膜壓力傳感器。然而，相比于發(fā)達(dá)國(guó)家，仍有不小差距，尤其是在高端電子設(shè)備上使用的傳感器。

實(shí)際上，從國(guó)際出發(fā)，壓阻薄膜傳感器概念于20世紀(jì)70年代由英國(guó)首次提出，之后美國(guó)則第一次采取蒸鍍法，德國(guó)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(yè)的青睞。2015年德國(guó)弗朗和費(fèi)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(yīng)用于注塑模具檢測(cè)注塑成型保壓壓力，德國(guó)Bosch制備單晶硅薄膜壓力傳感器，在汽車電子以及手機(jī)電子行業(yè)應(yīng)用廣泛。

圖2 作用在軸承內(nèi)圈的薄膜傳感器運(yùn)用示意圖

總的來看，目前市面上仍缺乏耐磨防護(hù)多功能薄膜傳感器的集成制造和示范應(yīng)用研究，關(guān)鍵薄膜研究尚不足以支撐結(jié)構(gòu)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(dāng)前制備功能薄膜的技術(shù)很多，最普遍使用的是物理氣相沉積(PVD)和化學(xué)氣相沉積(CVD)這兩種技術(shù)。其中，物理氣相沉積（PVD）具備速度快溫度低損傷少的優(yōu)勢(shì)，與此同時(shí)，熱電極材料于熱節(jié)點(diǎn)處交叉復(fù)合的問題也可以迎刃而解，用該技術(shù)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(tài)原子、分子和離子。在高真空環(huán)境中，這些顆粒會(huì)積聚在基板上。該技術(shù)的核心是：原材料怎樣轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)粒子。

此外，制備薄膜時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)無法避免的意外，導(dǎo)致薄膜產(chǎn)生缺陷。缺陷會(huì)對(duì)其傳感器電學(xué)性能有所干擾。消除缺陷最有用的方法是熱處理，它可以優(yōu)化薄膜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而使性能得到提升，因此，熱處理工藝也當(dāng)之無愧的成為了薄膜傳感器制備過程中的重點(diǎn)研究對(duì)象。

PVD主要分為真空蒸發(fā)(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(duì)比

5 結(jié)構(gòu)一體化的薄膜傳感器設(shè)計(jì)制備必要關(guān)鍵研究

為實(shí)現(xiàn)耐磨防護(hù)多功能薄膜傳感器一體化的設(shè)計(jì)應(yīng)用，有以下幾方面問題亟待解決。

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

圖3 耐磨防護(hù)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(fù)合技術(shù)制備電絕緣層；結(jié)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(shù)，通過ALD納米多層封孔，調(diào)整PVD/ALD多層涂層結(jié)構(gòu)和厚度，沉積絕緣性能良好、結(jié)合力好、厚度低的Cr2O3、Al2O3、AlN或多層絕緣薄膜，測(cè)量其絕緣性能、擊穿電壓和高溫、應(yīng)力下的穩(wěn)定性。

（3）做好耐磨防護(hù)涂層-電絕緣層-金屬基體界面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，為改善薄膜傳感器的絕緣層和金屬基體、耐磨防護(hù)涂層（AlTiN、CrN、DLC）之間的結(jié)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(jié)構(gòu)和優(yōu)化規(guī)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(shù)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(cè)量精度與薄膜成分結(jié)構(gòu)、尺寸（長(zhǎng)度、寬度、厚度）之間關(guān)系及規(guī)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(jié)合制備傳感器微納電路，完成傳感薄膜形狀圖案和連接導(dǎo)線的制造。

（6）最后要實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)功能一體化薄膜傳感器示范應(yīng)用，要在三維金屬零部件（刀具、模具和轉(zhuǎn)動(dòng)主軸）基體上制造結(jié)構(gòu)功能一體化薄膜傳感器，研究其示范應(yīng)用；獲得刀具、模具和轉(zhuǎn)動(dòng)主軸的正常使役性能，及傳感信號(hào)的靈敏性和穩(wěn)定性；探索結(jié)構(gòu)功能一體化薄膜傳感器在實(shí)際零部件使役過程中的作用和失效機(jī)理。

6 薄膜傳感器未來的發(fā)展方向

結(jié)構(gòu)功能一體化溫度壓力薄膜傳感器的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)面向智能制造的結(jié)構(gòu)功能一體化涂層在刀具、模具和零部件產(chǎn)業(yè)的示范工程應(yīng)用，通過產(chǎn)學(xué)研結(jié)合，研究相關(guān)關(guān)鍵科學(xué)問題，從而在核心技術(shù)層面上攻克新型結(jié)構(gòu)功能傳感薄膜材料設(shè)計(jì)和制造工藝，解決智能制造產(chǎn)業(yè)工業(yè)傳感器的核心問題，有力推動(dòng)我國(guó)在先進(jìn)智能制造的快速和持續(xù)發(fā)展，發(fā)揮技術(shù)的先進(jìn)性和示范引領(lǐng)作用，帶動(dòng)相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，具有廣闊的應(yīng)用前景。

但薄膜傳感器的相關(guān)技術(shù)還有待進(jìn)一步發(fā)展，其主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）新結(jié)構(gòu)與新功能的薄膜傳感器設(shè)計(jì)開發(fā)。

（2）薄膜傳感器動(dòng)態(tài)標(biāo)定理論與相關(guān)實(shí)驗(yàn)方法的創(chuàng)新。

（3）薄膜傳感器靈敏度和穩(wěn)定性的不斷提高與完善。

（4）薄膜傳感器在MEMS中的應(yīng)用與創(chuàng)新。

結(jié)合智能制造目前的大發(fā)展趨勢(shì)，上述的結(jié)構(gòu)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(huì)以綠色設(shè)計(jì)為指導(dǎo)原則，向著集成化程度更高，性能更穩(wěn)定的方向發(fā)展，并且竭力去與智能生產(chǎn)與自動(dòng)化制造相融合。

在工業(yè)4.0的新制造業(yè)革命潮流之下，新技術(shù)的突破與應(yīng)用事關(guān)國(guó)計(jì)民生，希望薄膜傳感器相關(guān)技術(shù)的發(fā)展可以為我國(guó)盡快成為制造業(yè)強(qiáng)國(guó)的目標(biāo)貢獻(xiàn)一份重要的力量。