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第四次工业革命已经悄然来临，我国也正面临着从制造大国向制造强国转变的历史性机遇。中国和国际制造业面临产业升级和革新，德国提出“工业 4.0”计划，中国提出“中国制造 2025”计划，其最核心的方面是智能化制造，不管是物联网还是数字化制造，最前端都将是智能化，所有这些智能化制造都离不开传感技术，面对智能制造产业的需求和技术挑战，这篇文章通过对现在智能制造潮流下传感器的全球需求背景研究，一起探讨一下薄膜传感器的研究价值与制备工艺等。
制造业的革命，往往伴随着生产技术的重要突破。
历史上曾出现过三次工业革命，十八世纪四十年代第一次工业革命发生于英国，该次工业革命中蒸汽机在市场上广受欢迎，同时也帮助英国迈入了世界上第一批工业国家的行列。
<工业革命示意图|图源于网络>
19 世纪后半叶直到 20 世纪初这半个世纪中，随着生产力的进步，第二次工业革命得以产生，其代表是电力电能的首次发明以及普遍使用，与此同时也意味着资本主义世界体系的确立，世界的联系紧密逐步实现了整体化；第三次工业革命发生于 20 世纪中叶，美国作为该次工业革命的起源国家，此次工业革命期间，航天航空、计算机以及原子能等方面的技术日益完善，推动了全球的社会生产关系的变化。
<工业革命示意图|图源于网络>
第四次工业革命是通过物联网、大数据、机器人和人工智能等技术改变社会生产方式。以网络、信息和智能的紧密联系为重点。包括中国在内的全球主要工业国家都启动了新型产业转型和结构调整的建设。它在制造工艺、终端产品、生产设备、数据分析平台和价格链方面改变了全球范围内大的竞争环境。
01
全球需求背景
2013年的汉诺威工业博展会，德国提出了“工业 4.0”概念，其技术基础是网络智能实体系统及物联网。网络智能实体系统及物联网的构建需要大量的数据传输以及获取，数据的获取需要大量的传感器才能达到万物互联。
<物联网示意图|图源于网络>
“中国制造2025”是我国实施制造强国战略第一个10年的行动纲领。传感器的大量应用是为实现我国能够成为“制造强国”宏伟目标之必然的趋势，特别是能实时的检测以及控制工业生产过程中的传感器是我国目前智能制造发展的短板。
<中国制造2025示意图|图源于网络>
2010 年起中国已成为世界第一制造大国，但高新板块仍与发达国家存在较大差距，智能化制造引发的制造产业革命，亦是实现我国制造产业转型升级的绝佳良机，不管是物联网还是数字化制造，最前端都将是智能化，然而智能化的前提是大数据的获取以及数据库的建立，所以这些都离不开传感技术。
02
薄膜传感器的研究价值
目前市场上常用的传感器大多是硅基芯片、分立式器件。
此类传感器件离工作表面较远，无法正确反映工具和机械零部件的温度、压力等实时工作状态，我们迫切地需要可实现结构功能一体化的，可在零部件基体上直接制造的嵌入式传感器——薄膜传感器。
<硅基分立式与金属嵌入式传感器示意图|图源于网络>
目前的分立式的传感器，外壳大多会采用高分子或者金属特殊封装，在高载荷、摩擦、高温、腐蚀环境中会失真、失效甚至根本无法使用。所以嵌入式的耐磨防护薄膜传感器可以在这些恶劣的工作环境进行传感信号的稳定传输。
研究此类薄膜传感器有着非凡的战略意义。首先，符合国家战略需求，制造业是国民经济根本。攻克结构功能一体化薄膜传感器技术，完全符合《中国制造 2025》中提到要大力发展智能绿色制造、高端装备的前沿方向，努力去向早日成为制造强国的目标所迈进；其次，科学价值与经济效益，其研究成果可解决芯片基传感器与工业级防护涂层结合遇到的基础科学问题，对智能制造领域发展有重要科学价值；
<示意图|图源于网络>
最后，发展研究此类传感器，具有非比寻常的政治外交效益。近年来发达国家保护主义抬头，在政治、经济及技术方面给中国制造各种壁垒，相关的研究有助于我国突破相关技术封锁，有重要的政治外交效益。
03
薄膜传感器研究现状
自 1990 年起，中国便已经开始采用特种加工的方法来制备薄膜传感器，一开始主要用到的工艺有磁控溅射法、电弧离子镀法等离子束加工方式，但是应用效果的灵敏度与线性度不乐观。21 世纪，许多高校、研究所以及企业都在高性能传感器上投入了很多精力，研制出了能在 300℃环境下使用的高温压力传感器，并在军事系统上取得了良好的效果，其中沈阳工业大学制备出多晶硅高温压力传感器、电子科技大学制备出了 MnCu 合金薄膜压力传感器。然而，相比于发达国家，仍有不小差距，尤其是在高端电子设备上使用的传感器。
<合金薄膜压力传感器结构图|图源于网络>
实际上，从国际出发，压阻薄膜传感器概念于 20 世纪70 年代由英国首次提出，之后美国则第一次采取蒸镀法，德国采取 MS 方法，均成功制备出了具备有较好性能的压力薄膜传感器，自此薄膜传感器便开始逐渐备受各行各业的青睐。2015 年德国弗朗和费表面工程与薄膜研究所（IST）研究出了掺氢 DLC 压阻薄膜传感器，应用于注塑模具检测注塑成型保压压力，德国 Bosch 制备单晶硅薄膜压力传感器，在汽车电子以及手机电子行业应用广泛。
<作用在轴承内圈的薄膜传感器运用示意图|图源于网络>
总的来看，目前市面上仍缺乏耐磨防护多功能薄膜传感器的集成制造和示范应用研究，关键薄膜研究尚不足以支撑结构功能一体化薄膜传感器制造。
04
薄膜传感器制备工艺
当前制备功能薄膜的技术很多，最普遍使用的是物理气相沉积 (PVD) 和化学气相沉积 (CVD) 这两种技术。其中，物理气相沉积（PVD）具备速度快温度低损伤少的优势，与此同时，热电极材料于热节点处交叉复合的问题也可以迎刃而解，用该技术来制备薄膜传感器也广受欢迎。
物理气相沉积（PVD）是指通过某种物理手段形成气态原子、分子和离子。在高真空环境中，这些颗粒会积聚在基板上。该技术的核心是：原材料怎样转变为气态粒子。此外，制备薄膜时难免会出现无法避免的意外，导致薄膜产生缺陷。缺陷会对其传感器电学性能有所干扰。消除缺陷最有用的方法是热处理，它可以优化薄膜的内部结构，从而使性能得到提升，因此，热处理工艺也当之无愧的成为了薄膜传感器制备过程中的重点研究对象。
<物理气相沉积示意图|图源于网络>
PVD 主要分为真空蒸发 (Vacuum Evaporation) 镀、溅射镀（Sputtering Deposition）和电弧离子镀（Arc IonDeposition）三大类。
<主要 PVD 沉积方法的对比|图源于网络>
05
薄膜传感器设计制备关键研究
为实现耐磨防护多功能薄膜传感器一体化的设计应用，有以下几方面问题亟待解决：
1
应做好耐磨防护涂层制备和性能
针对不同使用环境，可以应用不同的 PVD 工艺来制备典型耐磨防护涂层，包括 AlTiN（刀具）、CrN（模具、零部件）和 DLC（模具、零部件）涂层，优化沉积参数，重点解决低温沉积（避免传感器薄膜在高温下失效）和界面结合问题，获得良好使役性能的耐磨防护涂层。
<耐磨防护多功能薄膜传感器示意图|图源于网络>
2
做好电绝缘层制备和性能
采用 PVD-ALD 复合技术制备电绝缘层；结合双极脉冲溅射与等离子刻蚀、磁控电弧、脉冲偏压、气体反馈控制等技术，通过 ALD 纳米多层封孔，调整 PVD/ALD 多层涂层结构和厚度，沉积绝缘性能良好、结合力好、厚度低的 Cr2O3、Al2O3、AlN 或多层绝缘薄膜，测量其绝缘性能、击穿电压和高温、应力下的稳定性。
3
耐磨防护涂层 - 金属基体界面优化
为改善薄膜传感器的绝缘层和金属基体、耐磨防护涂层（AlTiN、CrN、DLC）之间的结合力，采用气体等离子刻蚀（Ar、O2、C2H2）和加过渡层（Ti、AlN、TiC、AlTiN）方法，研究界面微观结构和优化规律。
4
做好多功能传感薄膜的制备与其性能
利用 dcMS 技术来制备热电偶薄膜（Cu/CuNi、NiCr/NiSi）、热阻薄膜（W）和压阻薄膜（金属掺杂 DLC、CuMnNi），研究温度和压力测量精度与薄膜成分结构、尺寸（长度、宽度、厚度）之间关系及规律。
5
做好传感器微纳电路的配套制造
用掩模法和激光刻蚀、激光微纳制造相结合制备传感器微纳电路，完成传感薄膜形状图案和连接导线的制造。
6
要实现结构功能一体化薄膜传感器
要在三维金属零部件（刀具、模具和转动主轴）基体上制造结构功能一体化薄膜传感器，研究其示范应用；获得刀具、模具和转动主轴的正常使役性能，及传感信号的灵敏性和稳定性；探索结构功能一体化薄膜传感器在实际零部件使役过程中的作用和失效机理。
总 结
结构功能一体化温度压力薄膜传感器的设计和制造技术，可实现面向智能制造的结构功能一体化涂层在刀具、模具和零部件产业的示范工程应用，通过产学研结合，研究相关关键科学问题，从而在核心技术层面上攻克新型结构功能传感薄膜材料设计和制造工艺，解决智能制造产业工业传感器的核心问题，有力推动我国在先进智能制造的快速和持续发展，发挥技术的先进性和示范引领作用，带动相关技术领域和产业的发展，具有广阔的应用前景。
但薄膜传感器的相关技术还有待进一步发展，其主要表现在以下几个方面：
（1）新结构与新功能的薄膜传感器设计开发。
（2）薄膜传感器动态标定理论与相关实验方法的创新。
（3）薄膜传感器灵敏度和稳定性的不断提高与完善。
（4）薄膜传感器在 MEMS 中的应用与创新。
结合智能制造目前的大发展趋势，上述的结构一体化薄膜器又是薄膜传感器中的新起之秀，未来的薄膜传感器，必然会以绿色设计为指导原则，向着集成化程度更高，性能更稳定的方向发展，并且竭力去与智能生产与自动化制造相融合。
在工业 4.0 的新制造业革命潮流之下，新技术的突破与应用事关国计民生，希望薄膜传感器相关技术的发展可以为我国尽快成为制造业强国的目标贡献一份重要的力量。