CN103234648B - 一种聚合物双材料微梁及温度敏感结构 - Google Patents

一种聚合物双材料微梁及温度敏感结构 Download PDF

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Abstract

发明涉及温度传感元件领域，具体地，本发明涉及一种聚合物双材料微梁及温度敏感结构。本发明的聚合物双材料微梁，包括一层聚合物薄膜（3）和一层薄膜（4）；其中，所述聚合物薄膜（3）的热膨胀系数大于薄膜（4）的热膨胀系数，二者热膨胀系数差大于20ppm/K；所述聚合物薄膜（3）材料为热膨胀系数大于60ppm/K的聚合物；所述薄膜（4）的材料为金属、硅基材料或热膨胀系数小于40ppm/K的聚合物。本发明借助聚合物的大热膨胀系数及优化的双材料厚度比，微梁末端的热致位移或热致转角得以增大，从而提高了灵敏度和分辨率。本结构的制备工艺简单、成本低廉、外形尺寸小、灵敏度高、适于阵列应用。

Description

一种聚合物双材料微梁及温度敏感结构
技术领域
本发明涉及温度传感元件领域，具体地，本发明涉及一种聚合物双材料微梁及温度敏感结构。
背景技术
目前，利用两种不同热膨胀系数的材料制作的双材料梁已被广泛用作热致动器和温度传感器。其工作原理是：当双材料梁所处环境的温度发生变化时，构成梁的两层材料的温度也发生变化，由于热膨胀系数不同，这两层材料的热伸长量（或缩短量）不同，从而导致双材料梁发生弯曲。作为热致动器，双材料梁的热致弯曲即表现为对外界的力或者位移输出；作为温度传感器，双材料梁的热致弯曲即反映环境温度的变化，通过探测双材料梁的热致变形就可以测试环境温度的变化。近期专利中（张青川，2007，专利号：200710020666.3），利用厚3μm、宽20μm、长800μm的金/氮化硅双材料梁，并采用光学读出方式探测微梁热变形，得到的双材料微梁温度传感器的温度分辨率高达0.0022℃。氮化硅的热膨胀系数为0.8ppm/K,杨氏模量为180GPa，金的热膨胀系数为14.2ppm/K，杨氏模量为73GPa，100μm长的金/氮化硅双材料微梁的典型温度灵敏度为44nm/K。由于金与氮化硅的热膨胀系数之差不超过20ppm/K，为了进一步提高双材料梁的热灵敏度和温度分辨率，寻求热膨胀系数之差更大的材料来制作双材料梁是一种途径。目前，已有研究人员开始尝试利用聚合物制作双材料微梁。但在相关报道中，100μm长的聚合物双材料微梁的温度灵敏度最高只有111nm/K，还存在很大的提升空间。另外，双材料微梁中聚合物层的制作工艺复杂（如采用等离子体增强气相化学沉积），与微机械电子系统（MEMS）的加工工艺兼容性差。而且，在双材料微梁的设计和制作过程中，两层材料的厚度比没有进行优化，从而降低了聚合物双材料微梁的温度灵敏度。本专利的目的就是设计和制作制备工艺简单、成本低廉、外形尺寸小、温度灵敏度高、适于阵列应用的聚合物双材料微梁。
发明内容
本发明为了进一步提高双材料微梁温度传感器的温度灵敏度和分辨率，提出了并完成了本发明。
本发明的聚合物双材料微梁，包括一层聚合物薄膜3和一层薄膜4；
其中，所述聚合物薄膜3的热膨胀系数大于薄膜4的热膨胀系数，二者热膨胀系数差大于20ppm/K；
所述聚合物薄膜3材料为具有高热膨胀系数的聚合物，热膨胀系数大于60ppm/K；所述薄膜4材料为金属、硅基材料或具有低热膨胀系数的聚合物，热膨胀系数小于40ppm/K。
分析双材料梁的热变形行为可知，双材料梁的热变形量与材料的厚度成反比、与梁长的平方成正比，此外还与两层材料的厚度比有关。为了使双材料微梁获得尽可能大的热致变形，根据两层材料的杨氏模量之比，本发明还对两层材料的厚度比进行优化。
根据本发明的聚合物双材料微梁，其中，当所述薄膜4为金属或硅基材料时，聚合物薄膜3与薄膜4的厚度比优选为6:1～25:1，进一步优选为8:1～15:1。
根据本发明的聚合物双材料微梁，其中，当所述薄膜4为热膨胀系数低于40ppm/K的聚合物时，聚合物薄膜3与薄膜4的厚度比优选为0.1:1～10:1，进一步优选为0.4:1～2.5:1，再进一步优选为1:1。
根据热弹性力学的分析，为了获得尽可能高的热变形，构成双材料微梁的聚合物在具有高热膨胀系数的前提下应具有尽可能大的杨氏模量；构成双材料微梁的金属在具有较低热膨胀系数的同时应具有尽可能小的杨氏模量。
根据本发明的聚合物双材料微梁，其中，所述高热膨胀系数的聚合物（热膨胀系数为大于60ppm/K）为聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚偏氟乙烯（PVDF）、聚对二甲苯（Parylene）、膨胀系数为大于60ppm/K的聚酰亚胺（PI）、聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）、硅树脂（Silicon Resin）、尼龙（PA-66）、SU-8和聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等中的一种。
根据本发明的聚合物双材料微梁，其中，所述金属材料为金、铝、铬和钛等中的一种。
根据本发明的聚合物双材料微梁，其中，所述硅基材料为二氧化硅、氮化硅、多晶硅和碳化硅等中的一种。
根据本发明的聚合物双材料微梁，其中，所述低热膨胀系数的聚合物（热膨胀系数小于40ppm/K）为聚对苯二甲酸乙二酯（PET）或膨胀系数小于40ppm/K的聚酰亚胺（PI）等。
根据本发明的聚合物双材料微梁，其中，所述聚合物双材料微梁的尺寸优选为：长100～2000μm，宽5～50μm，厚0.5～5μm；进一步优选微梁长度为100～1000μm。这种小尺寸双材料梁，还具有热容小和动态响应时间短的特点。
本发明的温度敏感结构，其特征在于，所述温度敏感结构包括权利要求1所述的聚合物双材料微梁；所述聚合物双材料微梁一端固定于固定结构2上，一端自由。
本发明的工作原理如图1、图2所示：当由高热膨胀系数的聚合物薄膜3和低热膨胀系数的薄膜4组成的聚合物双材料微梁的温度发生变化时，由于两层材料的热膨胀系数差别很大，因而热变形量差别很大，导致微梁产生大的热致变形弯曲。通过光学系统1探测微梁的热致位移或热致倾角，实现温度测量。
本发明借助聚合物的大热膨胀系数及优化的双材料厚度比，微梁末端的热致位移或热致转角得以增大，从而提高了灵敏度和分辨率。本结构的制备工艺简单、成本低廉、外形尺寸小、灵敏度高、适于阵列应用。
本发明的具体有益效果是：
1、本发明采用热膨胀系数大的聚合物和热膨胀系数小的材料构成双材料微梁，两层材料间的大热膨胀系数差增加了双材料微梁的温度灵敏度和分辨率。
2、根据两种材料的杨氏模量比优化其厚度比，实现了更高的温度灵敏度和分辨率。
3、本发明的双材料微梁，特别适合于做成阵列，用于热红外成像焦平面阵列。
4、本发明的双材料微梁，还适合用于微型热致动器。
附图说明
图1为本发明的聚合物双材料微梁温度传感器工作原理示意图。
图2为本发明的聚合物双材料微梁的剖面图。
图3为本发明的聚合物双材料微梁的制备过程示意图。
图4为本发明的聚氯乙烯/铝双材料微梁的温度响应曲线。
图5为本发明的聚氯乙烯/二氧化硅双材料微梁的温度响应曲线。
图6为本发明的聚苯乙烯/聚酰亚胺双材料微梁热致动器末端热位移曲线。
图7为本发明的聚氯乙烯/金双材料热敏感结构的爆炸视图。
图8为本发明的聚氯乙烯/金双材料热敏感结构的剖视图。
附图标识
1、光学位移检测系统   2、固定结构               3、聚合物薄膜       4薄膜
5、玻璃基底           6、未图形化的聚合物薄膜   7、未图形化的薄膜   8、掩膜版
9、光刻胶             10、图形化的光刻胶        11、胶带
12、顶部金结构层      13、聚合物结构层          14、底部金结构层
15、光栅结构          16、双材料微梁            17、中间反光板
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步详细的说明。
实施例1
本发明的聚合物双材料微梁温度敏感结构示意图如图2所示，主要有固定结构2、聚合物薄膜3和薄膜4（金属）组成。本发明选用聚氯乙烯（PVC）作为热膨胀系数大的材料，选用铝（Al）作为热膨胀系数小的材料。
聚氯乙烯溶液的配置如下：首先将3.2g的聚氯乙烯粉末A溶入40mL的四氢呋喃（THF）B中，超声2小时，随后放入离心机中离心（2500rpm）去除颗粒物，得到PVC溶液C。
图2中的PVC/Al双材料微梁的制备工艺过程如图3所示。首先在玻璃基底5上旋涂一层PVC溶液C（甩胶速度为1800rpm），室温放置30分钟后于85℃下烘干1小时，得到1.5m厚的PVC薄膜（未图形化的聚合物薄膜6）；用氧等离子体处理PVC薄膜的表面后，在PVC薄膜上溅射一层120nm厚的Al薄膜（未图形化的薄膜7）；接着旋涂一层光刻胶9，用掩膜版8曝光、显影得到图形化的光刻胶10；用图形化的光刻胶10做掩膜，用磷酸湿法腐蚀Al薄膜得到图形化后的铝材料薄膜4；以图形化的铝材料薄膜4为掩膜，用氧等离子体刻蚀PVC薄膜，得到图形化的PVC聚合物薄膜3，形成微梁结构；然后整体放入烘箱中，85℃退火1小时并随炉自然冷却；最后用胶带11将微梁结构转移到固定结构2上，形成双材料微梁。
本发明得到的PVC/Al双材料微梁长300μm，宽20μm，PVC厚1.5μm，Al厚0.12μm，两层材料的厚度比为12.5:1。用微梁末端位移表示其热变形量，本发明中PVC/Al双材料微梁的热位移响应如图4所示。图4中的温度—位移曲线显示，本发明中的PVC/Al微梁的温度灵敏度为4800nm/K。由于双材料微梁的温度灵敏度与长度的平方成正比，因此100μm长的PVC/Al双材料梁的温度灵敏度约为533nm/K。光读出位移探测系统可以探测0.1nm的位移，可知本发明中的PVC/Al双材料微梁的温度分辨率约为188μK。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：图2中的聚合物薄膜3采用聚苯乙烯（PS）。将4g聚苯乙烯颗粒A溶解在40mL的甲苯溶剂B中形成聚苯乙烯溶液C。本实施例中PS/Al双材料的制备工艺同实施例1。
本发明得到的PS/Al双材料微梁的长度为400μm，宽30μm，PS厚1.5μm，Al厚0.25μm，两层材料的厚度比为6:1。
实施例3
本实施例与实施例1的区别在于：图2中的聚合物薄膜3采用聚偏氟乙烯（PVDF）。将3.2g聚偏氟乙烯粉末A溶解在40mL的二甲基乙酰胺（DMAc）溶剂B中形成聚偏氟乙烯溶液C。本实施例中PVDF/Al双材料的制备工艺同实施例1。
本发明得到的PVDF/Al双材料微梁的长度为500μm，宽40μm，PVDF厚1.7μm，Al厚68nm，两层材料的厚度比为25:1。
实施例4
本实施例与实施例1的区别在于：图2中的热膨胀系数小的薄膜4用二氧化硅薄膜替代。二氧化硅薄膜采用磁控溅射的方式沉积，采用反应离子刻蚀（CF4）来图形化。双材料微梁的制备流程如图3所示。在制备的PVC/SiO2双材料微梁的表面溅射一层40nm的Al薄膜作为反射层，以满足光学读出微变形的需求。
本发明得到的PVC/SiO2双材料微梁长800μm，宽20μm，PVC厚3μm，SiO2厚0.3μm，两层材料的厚度比为10:1。用微梁末端位移表示其热变形量，本发明中PVC/SiO2双材料微梁的热位移响应如图5所示。图5中的温度—位移曲线显示，本发明中的PVC/SiO2梁的温度灵敏度为6730nm/K。由于双材料微梁的温度灵敏度与长度的平方成正比，因此100μm长的PVC/SiO2双材料梁的温度灵敏度约为138nm/K。光读出位移探测系统可以探测0.1nm的位移，可知本发明中的PVC/SiO2双材料微梁的温度分辨率约为725μK。
实施例5
本实施例与实施例1的区别在于：图2中的聚合物薄膜3采用聚苯乙烯（PS），热膨胀系数小的薄膜4用热膨胀系数小于40ppm/K聚酰亚胺（PI）薄膜替代。
PS/PI双材料微梁的制作流程与实施例1相似（如图3所示）：首先在玻璃基底上旋涂一层3m厚的PI薄膜，200℃亚胺化1小时；用氧等离子体处理表面后，再旋涂一层3m厚的PS薄膜，100℃烘干1小时；然后溅射40nm的铝薄膜作为PS/PI复合膜干法刻蚀时用的掩膜
本发明得到的PS/PI双材料微梁长2mm，宽50μm，PS厚3μm，PI厚3μm，两层材料的厚度比为1:1。作为致动器，本发明中PS/PI双材料微梁末端的热位移响应如图6所示。图6中的温度—位移曲线显示，本发明中的PS/PI梁的单位温升产生的位移为14.33μm/K。
实施例6
本实施例与实施例5的区别在于：双材料微梁长1000μm，PS厚0.3μm，PI厚3μm，两层材料的厚度比为0.1:1。
实施例7
本实施例与实施例5的区别在于：PS厚3μm，PI厚0.3μm，两层材料的厚度比为10:1。
实施例8
本实施例与实施例1的区别在于：图2中的聚合物薄膜3采用SU-8，SU-8/Al双材料微梁采用表面牺牲层工艺制作，利用正胶作为牺牲层。本发明得到的SU-8/Al双材料微梁长600μm，宽50μm，SU-8厚2.5μm，Al厚0.2μm，两层材料的厚度比为12.5:1。基底上制作出与梁等尺寸的铝作为下电极，双材料微梁上的铝作为上电极，形成可变电容。微梁热变形导致电容变化，读出电容的变化量，即得到温度的变化。
实施例9
本实施例与实施例1的区别在于：图2中的热膨胀系数小的薄膜4采用金（Au）制作，双材料热敏感结构如图7所示。热敏感结构由顶部金结构层12、聚氯乙烯结构层（聚合物结构层13）和底部金结构层14构成，在玻璃基底5表面用金制作光栅结构15。如图8所示，双材料微梁16受热变形后，由于对称约束，中间反光板17将垂直移动，利用集成光栅干涉方法检测反光板的垂直位移，从而探测环境温度的变化。
本实施例通过标准表面牺牲层工艺制作：首先利用剥离工艺在玻璃基底5上制作50nm厚的Au光栅结构15。为了提高Au与玻璃基底的粘附性，在溅射Au薄膜之前，先溅射一层20nm厚的Ti薄膜作为粘附层。然后磁控溅射一层3μm厚的铝薄膜作为牺牲层，并图形化出锚点结构；接着溅射一层20nm厚的Cr、200nm厚的Au和20nm厚的Ti，其中Cr作为Au与Al牺牲层间的粘附层，Ti作为Au与后续结构间的粘附层，Cr/Au/Ti金属复合层通过离子束刻蚀图形化为12所示的图形；先旋涂一层100nm的SU-8作为粘附层，然后旋涂PVC溶液制作1.5μm厚的PVC薄膜，并通过氧等离子体刻蚀图形化为13所示的图形；接着溅射一层20nm厚的Ti和200nm厚的Au，其中Ti作为Au与PVC薄膜间的粘附层，Ti/Au金属复合层通过离子束刻蚀图形化为14所示的图形；释放铝牺牲层，就可以得到如图8所示的悬挂Au/PVC/Au双材料热敏感结构。
本发明中，双材料热敏感结构的整体尺寸为240μm×240μm，中间反光板17的尺寸为100μm×100μm，双材料微梁16宽10μm，梁间间隙为10μm。

Claims (6)

1.一种聚合物双材料微梁，其特征在于，包括一层聚合物薄膜(3)和一层薄膜(4)；
其中，所述聚合物薄膜(3)的热膨胀系数大于薄膜(4)的热膨胀系数，二者热膨胀系数差大于20ppm/K；
所述聚合物薄膜(3)材料为热膨胀系数大于60ppm/K的聚合物；所述薄膜(4)的材料为金属、硅基材料或热膨胀系数小于40ppm/K的聚合物；
其中，所述热膨胀系数大于60ppm/K的聚合物为聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚偏氟乙烯、聚对二甲苯、热膨胀系数大于60ppm/K的聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、硅树脂、尼龙、SU-8和聚甲基丙烯酸甲酯中的一种；
其中，所述薄膜(4)为金属或硅基材料，聚合物薄膜(3)与薄膜(4)的厚度比为6:1～25:1；或者，所述薄膜(4)为热膨胀系数小于40ppm/K的聚合物，聚合物薄膜(3)与薄膜(4)的厚度比为0.1:1～10:1。
2.根据权利要求1所述的聚合物双材料微梁，其特征在于，所述金属材料为金、铝、铬和钛中的一种。
3.根据权利要求1所述的聚合物双材料微梁，其特征在于，所述硅基材料为二氧化硅、氮化硅、多晶硅和碳化硅中的一种。
4.根据权利要求1所述的聚合物双材料微梁，其特征在于，所述热膨胀系数小于40ppm/K的聚合物为聚对苯二甲酸乙二酯或热膨胀系数小于40ppm/K的聚酰亚胺。
5.根据权利要求1所述的聚合物双材料微梁，其特征在于，所述聚合物双材料微梁的尺寸为：长300～2000μm，宽20～50μm，厚1.62～5μm。
6.一种温度敏感结构，其特征在于，所述温度敏感结构包括权利要求1所述的聚合物双材料微梁；所述聚合物双材料微梁一端固定于固定结构(2)上，一端自由。
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