一種柔性壁面熱線微傳感器的新型製作方法

2023-10-08 06:11:49 2

專利名稱：一種柔性壁面熱線微傳感器的新型製作方法
技術領域：
本發明涉及一種柔性壁面熱線微傳感器的新型製作方法，屬於微機電系統(MEMS)領域。
背景技術：
:熱線傳感器是流場信息測試領域中重要的測量器件之一。它作為一種高效、可靠的測量器件，常用於流場流動狀態的檢測。基於MEMS的壁面熱線微傳感器因具有動態響應快、靈敏度高以及信噪比高等優點，在流體壁面剪應力和非定常流測量中具有廣泛的應用前景。而採用聚醯亞胺柔性基底的壁面熱線微傳感器不僅具有常規壁面熱線微傳感器的全部優點，而且可以應用於機翼、機身以及渦輪葉片等各種複雜型面的測量，為相關模型的實驗空氣動力學提供了可靠的支撐手段。柔性壁面熱線微傳感器的典型結構是在敏感元件的下表面設計一個空腔結構，使敏感元件與空氣完全接觸。德國柏林工業大學從2005年開始研究這種結構的柔性壁面熱線微傳感器，其工藝實現方法為先在聚醯亞胺柔性基底表面通過光刻工藝形成敏感元件，接著在其表面沉積一層金屬薄膜，再圖形化該金屬薄膜層，使其作為掩膜進行聚醯亞胺的幹法刻蝕，利用根切效應(footing effect)來實現敏感元件的懸空,最後將掩膜金屬層通過溼法刻蝕去掉。該製作方法的不足是在形成空腔結構後，溼法刻蝕去掉掩膜金屬層的同時會腐蝕已經形成的敏感元件，影響敏感元件的尺寸參數和測量性能，使熱線敏感單元達不到設計要求，容易斷裂，降低其使用壽命，從而影響傳感器的性能
發明內容
:為了克服現有技術由於正面刻蝕柔性基底帶來的腐蝕敏感單元的缺點，本發明提供了一種柔性熱線微傳感器背面刻蝕柔性基底的工藝方法。為了與標準MEMS工藝兼容，本發明採用硬質襯底來實現加工過程中柔性基底的固定，通過標準光刻工藝實現柔性基底正面器件和導線的圖形化，接著在正面沉積聚對二甲苯作為保護和強化層，然後在硬質襯底背面貼附感光藍膜，採用掩膜曝光及溼法腐蝕實現金屬載體的圖形化，形成用於柔性基底刻蝕的硬掩膜，再通過反應離子刻蝕實現柔性基底的局部刻蝕，刻蝕完成後採用高溫加熱的方法實現傳感器和硬質襯底的分離。本發明解決其技術問題所採取的技術方案:一種柔性壁面熱線微傳感器的新型製作方法，包括如下步驟:步驟1:對硬質襯底進行表面拋光和清洗；步驟2:在硬質襯底上表面旋塗PDMS，所述PDMS作為粘接劑，使聚醯亞胺薄膜與硬質襯底相結合；步驟3:將聚醯亞胺薄膜貼覆於旋塗有PDMS的硬質襯底表面，採用加溫加壓裝置實現貼合，所述聚醯亞胺薄膜形成柔性壁面熱線微傳感器的柔性基底2 ；
步驟4:在聚醯亞胺表面依次沉積第一金屬層和第二金屬層，圖形化後形成敏感兀件I和導線5 ；步驟5:在形成的敏感元件I和導線5的表面沉積聚對二甲苯4 ；步驟6:對硬質襯底圖形化，形成空腔3的掩膜層；步驟7:以圖形化的硬質襯底作為掩膜，進行PDMS和聚醯亞胺的刻蝕，形成空腔3 ；步驟8:加熱硬質襯底，實現柔性壁面熱線微傳感器和硬質襯底的剝離。本發明的有益效果是:I)採用硬質襯底作為加工過程中的載體，不僅可以與MEMS工藝兼容，而且可以用作聚醯亞胺刻蝕的掩膜；2)加工過程中敏感元件的圖形精度易於保證，在進行柔性基底背面刻蝕的過程中不會影響敏感元件；3)通過對敏感元件上表面沉積聚對二甲苯保護膜，使器件在加工和使用過程中得到了保護，加工完成的柔性熱線微傳感器甚至在惡劣環境中也可以得到應用。下面結合附圖和實施例對本發明作詳細說明。


:圖1是實施例中柔性壁面熱線微傳感器結構示意圖；圖2是圖1的A-A剖視圖；圖3是實施例1中柔性壁面熱線微傳感器製作工藝流程中，I一敏感元件；2—柔性襯底；3—空腔；4一聚對二甲苯；5—導線；
具體實施方式
:實施例一:本實施例提出在柔性熱線微傳感器背面刻蝕的方法，主要是敏感元件的圖形化工藝為溼法腐蝕工藝，具體包括如下步驟:步驟1:將厚度為100微米的銅箔裁剪為直徑為80mm的圓片，並採用拋光機進行表面拋光，拋光後進行銅箔的清洗；步驟2:在清洗後的銅箔表面旋塗5微米厚的PDMS，其中PDMS配比膠液和固化劑的比例為10:1 ;轉速為2500RPM ；步驟3:將厚度為125微米的聚醯亞胺薄膜貼覆於旋塗有PDMS的銅箔表面，採用溫度70°C，壓力130Pa進行貼合；步驟4:將銅箔作為載體的聚醯亞胺放入濺射腔體，分別沉積0.3 μ m的鎳和2 μ m的銅薄膜，採用比例為過硫酸銨:雙氧水:水=1:1:20的溶液溼法腐蝕實現銅導線的圖形化，採用30%的FeCl3溶液實現鎳敏感元件的圖形化；步驟5:將圖形化後的襯底和載體一起置於SCS PDS2010實驗室專用聚對二甲苯沉積設備中，沉積2-3微米聚對二甲苯，用作保護和強化作用。步驟6:在銅箔背面貼附感光藍膜，通過掩膜曝光顯影，顯影后採用FeCl3溶液溼法腐蝕銅箔並實現圖形化。
步驟7:將整個片子倒置過來，放入RIE刻蝕設備中，通過圖形化的銅箔進行聚醯亞胺的刻蝕。步驟8:將銅箔加熱到80°C，實現聚醯亞胺基底和PDMS的分離。實施例二:本實施例提出在柔性熱線微傳感器背面刻蝕的方法，主要是敏感元件的圖形化方法為剝離工藝，具體包括如下步驟:步驟1:將厚度為100微米的鋁箔裁剪為直徑為80mm的圓片，並採用拋光機進行表面拋光，拋光後進行鋁箔的清洗；步驟2:在清洗後的鋁箔表面旋塗5微米厚的PDMS，其中PDMS配比膠液和固化劑的比例為10:1 ;轉速為2500RPM ；步驟3:將厚度為125微米的聚醯亞胺薄膜貼覆於旋塗有PDMS的銅箔表面，採用溫度70°C，壓力130Pa進行貼合；步驟4:將鋁箔作為載體的聚醯亞胺旋塗光刻膠，並曝光顯影，將光刻膠圖形化後的片子放入濺射腔體，沉積0.3 μ m的鉬，將沉積有鉬薄膜的載體進行超聲振動，實現鉬薄膜的順利剝離；採用同樣的方法實現2μπι的金薄膜的圖形化；步驟5:將圖形化後的襯底和載體一起置於SCS PDS2010實驗室專用聚對二甲苯沉積設備中，沉積2-3微米聚對二甲苯，用作保護和強化作用。步驟6:在鋁箔背面貼附感光藍膜，通過掩膜曝光顯影，顯影后採用鋁刻蝕液溼法腐蝕鋁箔並實現圖形化。步驟7:將整個片子倒置過來，放入RIE刻蝕設備中，通過圖形化的鋁箔進行聚醯亞胺的刻蝕。步驟8:將鋁箔加熱到80°C，實現聚醯亞胺基底和PDMS的分離。
權利要求
1.一種柔性壁面熱線微傳感器的新型製作方法，包括如下步驟: 步驟1:對硬質襯底進行表面拋光和清洗； 步驟2:在硬質襯底上表面旋塗PDMS ； 步驟3:將聚醯亞胺薄膜貼覆於旋塗有PDMS的硬質襯底表面，採用加溫加壓裝置實現貼合，所述聚醯亞胺薄膜形成柔性壁面熱線微傳感器的柔性基底(2); 步驟4:在聚醯亞胺表面依次沉積第一金屬層和第二金屬層，圖形化後形成敏感元件(I)和導線(5)； 步驟5:在形成的敏感元件(I)和導線(5)的表面沉積聚對二甲苯(4)； 步驟6:對硬質襯底圖形化，形成空腔(3)的掩膜層； 步驟7:以圖形化的硬質襯底作為掩膜，進行PDMS和聚醯亞胺的刻蝕，形成空腔(3)； 步驟8:加熱硬質襯底，實現柔性壁面熱線微傳感器和硬質襯底的剝離。
全文摘要
本發明公開了一種柔性壁面熱線微傳感器的新型製作方法，屬於微機電系統(MEMS)領域。本發明採用柔性金屬載體來實現加工過程中柔性襯底的固定，通過標準光刻工藝實現柔性襯底正面器件和導線的圖形化，接著在正面沉積聚對二甲苯(Parylene)作為保護和強化層，然後在柔性金屬載體背面貼附感光藍膜，採用掩膜曝光及溼法腐蝕實現柔性金屬載體的圖形化，形成用於柔性襯底刻蝕的硬掩膜，再通過反應離子刻蝕(RIE)實現柔性襯底的局部刻蝕，刻蝕完成後採用高溫加熱的方法實現傳感器和柔性金屬載體的分離。該方法可以有效的保護柔性壁面熱線微傳感器的敏感單元，提高了傳感器的性能，使用壽命也會大幅增加。
文檔編號B81C1/00GK103086320SQ20131002141
公開日2013年5月8日 申請日期2013年1月21日 優先權日2013年1月21日
發明者馬炳和, 朱鵬飛, 馬旭輪, 鄧進軍 申請人:西北工業大學