CN103385699A - 柔性电阻式mems温度传感器阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列及其制备方法，所述传感器阵列包括固定基体、柔性基体、温度敏感薄膜、传感器电极、柔性覆盖层和电导线；所述传感器阵列制备方法的步骤包括固定基体材料上表面溅射或热蒸发一层金属牺牲层、在牺牲层上旋涂PI、温度敏感薄膜的制备、传感器电极阵列的制备、覆盖层PI薄膜的制备及其图形化、剥落柔性传感器、焊接电导线。本发明传感器具有生物相容性、较强的机械性能、耐高温、抗高温冲击、较高的超声传播速度，通过曝光可控制敏感薄膜和传感器电极点的大小和形状，能够实时测出皮肤表层的温度场分布；其制备方法简单可靠，成本低，能够采用微加工工艺实现。
Description
技术领域
本发明涉及医学工程领域的温度传感器阵列，具体地，涉及一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列及其制备方法。
背景技术
在过去几十年，高能聚焦超声(HIFU)对肿瘤细胞热切除已经取得了广泛的研究。体积超声更是有效的扩大了每次超声的肿瘤切除面积，但是随之产生的皮肤和脂肪层的温度升高限制了肿瘤细胞的切除效率。在超声切除肿瘤细胞过程中，为了避免皮肤和脂肪层的热损伤，有必要获得皮肤层表面的温度场分布。柔性温度传感器阵列能够弯曲成与皮肤同样的曲率，直接贴在皮肤表面，测量皮肤曲面的温度场分布，是解决以上问题的有效方法。基于电阻式微型传感器阵列因其体积小、反应时间快、稳定性好、寿命长，较高超声传播速率等优点，而获得了广泛的关注。
MEMS（Micro-Electro-Mechanical Systems,微机电系统）电阻式温度传感器的工作原理是基于材料的热阻效应，其热阻效应是将温度变化转化为相应的电阻变化。当外界温度变化时，温度敏感金属薄膜温度发生相应的变化，金属材料的温度变化使得材料内的电子运动速度加快，电子运动速度加快使得材料体内的电子散射加剧，电子散射越加剧材料的导电性能就越差，最终导致材料的电阻率变大。
经对现有技术文献的检索发现，Chi-Yuan Lee,Guan-Wei Wu and Wei-Jung Hsieh在《Sensors and Actuators A》147（2008）173-176撰文“Fabrication of micro sensors on aflexible substrate”（“柔性基体上微传感器的制备”《传感器与执行器A》），该文提到的柔性传感器，是基于Parylene基体材料，温度敏感单元是Au。这种柔性基体材料在工作温度偏低的情况下（低于100℃）是比较合适，当瞬时温度冲击高于100℃情况下，基体材料就会发生热变形，甚至损坏，从而导致传感器破坏，不能正常工作。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列，该传感器具有生物相容性、较强的机械性能、能够弯曲成任意不规则的曲面、耐高温，具有较高的超声传播速度等。
根据本发明的一个方面，提供一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列，包括固定基体、柔性基体、温度敏感薄膜阵列、电极阵列、柔性覆盖层和电导线，其中：所述柔性基体固定在所述固定基体上，所述温度敏感薄膜阵列固定在所述柔性基体和柔性覆盖层之间，所述电极阵列固定在所述柔性基体上，所述温度敏感薄膜阵列与所述电极阵列互联，所述柔性覆盖层覆盖在所述温度敏感薄膜阵列上，所述电导线连接所述电极。
优选地，所述固定基体表面平整，便于实现传感器的微机械加工。固定基体可以是玻璃片或者硅片，厚度为500μm，以获得较为平整的PI柔性基体薄膜。
优选地，所述柔性基体是PI（聚酰亚胺，polyimide）材料，厚度为10-50μm，保证传感器具有足够的柔性和机械强度，能够抗瞬态高温冲击且具有较高的超声传播速度。
优选地，所述温度敏感薄膜阵列基体和覆盖层为柔性聚酰亚胺薄膜。
优选地，所述温度敏感薄膜阵列是Cr/Pt或者Ti/Au薄膜阵列，厚度为100-300nm，以获得较为柔性的敏感薄膜和后续测试电路所需要的传感器电阻值。
优选地，所述电极阵列是Ti/Au电极阵列，厚度为100-250nm，以获得较小的欧姆接触电阻和实现柔性电极。
优选地，所述柔性覆盖层用于阻挡可能会影响敏感元件温度灵敏度的外界水汽和污染物等，其采用载银导电胶实现所述电导线与所述电极阵列的连接。
优选地，所述柔性覆盖层是PI材料，厚度为5-10μm，以阻挡外界对传感器阵列的污染和破坏。
根据本发明的另一个方面，提供一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列的制备方法，包括如下步骤：
第一步、基体材料上表面溅射或热蒸发一层金属牺牲层；
优选地，所述金属牺牲层是Cr/Cu合金，或者是Al；
第二步、在金属牺牲层上旋涂柔性基体；
优选地，所述柔性基体是PI前聚体，PI前聚体到所述柔性基体的转变通过阶梯温度亚胺化得到；
第三步、制备温度敏感薄膜阵列；
优选地，所述温度敏感薄膜是Cr/Pt，或者Ti/Au，其微加工工艺主要包括光刻、显影、溅射、left-off和离子铣；
第四步、制备传感器电极阵列；
优选地，所述传感器电极阵列是Ti/Au，厚度为20nm/200nm，其中Ti层是粘结层，用于粘结PI和Au；其微加工工艺是光刻、显影、溅射和lift-off工艺；
第五步、覆盖层PI薄膜的制备及其图形化；
优选地，所述覆盖层PI薄膜是使用PI薄膜覆盖Pt温度敏感薄膜而露出所述传感器电极阵列，用于防止传感器污染和外界环境对所述温度敏感薄膜的破坏；
第六步、剥落柔性传感器；
优选地，所述剥落是采用湿法刻蚀的方式刻蚀柔性基体下面的金属牺牲层，使传感器从柔性基体材料上释放下来；
第七步、焊接电导线；
优选地，所述焊接是采用载银导电胶连接传感器电极阵列与电导线。
本发明：在传感器制备过程中，PI前聚体旋涂在表面光滑平整的固定基体（玻璃片或者硅片）上，以实现PI柔性基体的光滑与平整。温度敏感薄膜用于测量环境温度。电极连接温度敏感薄膜，是为了减小外接导线直接与敏感薄膜连接所造成的接触电阻。PI覆盖层是为了获得柔性覆盖层和阻挡外界对传感器阵列的污染和破坏。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明采用聚酰亚胺（Polyimide）柔性基体和Pt/Au敏感薄膜制备成的柔性温度传感器阵列，通过曝光可控制敏感薄膜和传感器电极点的大小、形状和位置，能够在柔性基体材料上制备不同图形的阵列式温度传感器，有效地解决了皮肤表面温度场分布的测量；这里的传感器阵列是指聚酰亚胺柔性基体上，通过微加工工艺实现阵列式温度敏感薄膜和电极的制备。柔性基体能够弯曲成与皮肤一样的曲面，传感器阵列能够测量皮肤表面各点的温度。
本发明传感器耐高温、抗高温冲击、较高的超声传播速度，能够实时测出皮肤表层的温度场分布，该温度传感器阵列在任意形状超声波截面温度场检测方面及在其它领域同时具有广泛的应用前景；其制备方法简单可靠，能够采用微加工工艺实现，加工成本低。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明实施例1的平面结构示意图；
图2为本发明实施例2的平面结构示意图；
图3为本发明的工艺流程图。
图中：固定基体1、柔性基体薄膜2、温度敏感薄膜3、电极阵列4、柔性覆盖层薄膜5、电导线6。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列，包括固定基体1、柔性基体薄膜2、温度敏感薄膜3阵列、电极阵列4、柔性覆盖层薄膜5和电导线6，其中：柔性基体薄膜2固定在固定基体1，温度敏感薄膜3阵列沉积在柔性基体薄膜2上，电极阵列4图形化在柔性基体薄膜2上，柔性覆盖层薄膜5图形化覆盖在温度敏感薄膜3阵列上，电导线6连接电极阵列4。
本实施例中，所述固定基体1是硅片。
本实施例中，所述柔性基体薄膜2是PI材料，厚度为50μm。
本实施例中，所述温度敏感薄膜3是Cr/Pt,厚度为200nm。
本实施例中，所述电极阵列4是Ti/Au电极阵列，厚度为20nm/200nm。
本实施例中，所述柔性覆盖层薄膜5是PI材料,厚度为3μm。
如图3所示，本实施例所述的柔性电阻式MEMS温度传感器阵列的制备方法,包括以下步骤：
第一步、硅固定基体上表面溅射一层金属牺牲层
所述金属牺牲层是Cr/Cu，厚度为20nm/150nm。
第二步、在金属牺牲层上旋涂柔性基体薄膜
所述柔性基体薄膜2是PI薄膜，厚度为50μm；首先旋涂一层PI前聚体，然后通过阶梯温度烘烤的方式得到PI薄膜。
第三步、在柔性基体层上制备温度敏感薄膜阵列
所述温度敏感薄膜3是Cr/Pt，采用磁控溅射的方法得到厚度为20nm/200nm的Cr/Pt层，其中Cr层是粘结层，用于粘结PI和Pt薄膜层；采用离子刻蚀的方式图形化Cr/Pt温度敏感层。
第四步、传感器电极阵列的制备
所述电极阵列4是Ti/Au电极阵列，厚度为20nm/200nm，在柔性基体薄膜2的薄膜层上通过光刻、磁控溅射和lift-off得到，其中Ti层是粘结层，用于粘结PI和Au；该电极图形的传感器阵列实现了各单独传感器的共阴极连接：右电极为阴极连接，连接电源的负极；左电极分别连接各传感器单元，连接电源正极，可以通过左电极的选择性连接，实现曲面某些点的温度测量。与实施例2图2比较优点为该结构的电极阵列能够有效的减少外接Au导线的根数，有利于减少加工成本和后续复杂电导线的连接；缺点是在保证各传感器单元导线层宽度的前提下，每片PI薄膜上分布的传感器数量是有限的，且各传感器之间的有效间距比较大。
第五步、柔性覆盖层薄膜的制备及其图形化
所述柔性覆盖层薄膜5的制备是旋涂一层3μm厚度的光刻型PI前聚体，在热板上2分钟120℃前烘、光刻和显影，然后通过阶梯温度烘烤的方式得到柔性覆盖层薄膜5；所述图形化是柔性覆盖层薄膜5覆盖温度敏感薄膜3，并露出电极阵列4。
第六步、剥落柔性传感器
所述剥落是采用Cr/Cu刻蚀液刻蚀柔性基体薄膜2下面的Cr/Cu金属牺牲层，使得柔性传感器能够从固定基体1上脱落下来。
第七步、焊接电导线
所述焊接是采用载银导电胶实现电极阵列4和电导线6的连接；所述电导线6是50μm的金线。
实施例2
如图3所示，本实施例提供一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列，包括固定基体1、柔性基体薄膜2、温度敏感薄膜3阵列、电极阵列4、柔性覆盖层薄膜5和电导线6，其中：柔性基体薄膜2固定在固定基体1，温度敏感薄膜3沉积在柔性基体薄膜2上，电极阵列4图形化在柔性基体薄膜2上，柔性覆盖层薄膜5图形化覆盖在温度敏感薄膜3上，电导线6连接电极阵列4。
本实施例中，所述固定基体1是玻璃，厚度为500μm。
本实施例中，所述柔性基体薄膜2是PI材料，厚度为10μm。
本实施例中，所述温度敏感薄膜3是Ti/Au，厚度为20nm/200nm。
本实施例中，所述电极阵列4是Ti/Au电极阵列，厚度为20nm/200nm。
本实施例中，所述柔性覆盖层薄膜5是PI材料，厚度为5μm。
如图3所示，本实施例所述的柔性电阻式MEMS温度传感器阵列的制备方法,包括以下步骤：
第一步、固定基体上表面溅射一层金属牺牲层
所述金属牺牲层是Al，厚度为50nm。
第二步、在金属牺牲层上旋涂柔性基体薄膜
所述柔性基体薄膜2是PI薄膜，厚度为10μm；首先旋涂一层PI前聚体，然后通过阶梯温度烘烤的方式得到PI薄膜。
第三步、温度敏感薄膜的制备
所述温度敏感薄膜3是Ti/Au，厚度为20nm/200nm，在柔性基体薄膜2的薄膜层上采用磁控溅射、光刻和离子铣得到，其中Ti层是粘结层，用于粘结PI和Au薄膜。
第四步、传感器电极阵列的制备
所述电极阵列4是Ti/Au电极阵列，厚度为20nm/200nm，在柔性基体薄膜2的薄膜层上采用光刻、溅射和lift-off工艺得到，其中Ti层是粘结层，用于粘结polyimide和Au。其与实例1相比较优点是在单张PI薄膜上传感器的数量和它们之间的间距不受限制；缺点是每个传感器单元在测量温度过程中都要分别单独连接两根电导线，增加了温度场测量过程中的总的连接导线数量。
第五步、柔性覆盖层薄膜的制备及其图形化
所述柔性覆盖层薄膜5的制备是旋涂一层5μm厚度的光刻型PI前聚体，在热板上2分钟120℃前烘、光刻和显影，然后通过阶梯温度烘烤的方式得到柔性覆盖层薄膜5；所述图形化是柔性覆盖层薄膜5覆盖温度敏感薄膜3，并露出电极阵列4。
第六步、剥落柔性传感器
所述剥落是采用30%的磷酸刻蚀液刻蚀柔性基体薄膜2下面的Al金属牺牲层，使得柔性传感器能够从固定基体1上脱落下来。
第七步、焊接电导线
所述焊接是采用载银导电胶实现电极阵列4和电导线6的连接；所述电导线6是50μm的金线。
本发明的柔性电阻式温度传感器阵列，柔性基体具有生物相容性，能够弯曲成任意形状直接贴在皮肤层表面。且该基体材料具有较高的超声传播速率，对超声的能量具有较小的阻抗作用。该温度传感器具有体积小，能够快速、稳定和精确地测量皮肤层的温度场分布。本发明适合于聚焦超声波任意截面形状的温度场测量。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。
Claims (9)
1.一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列，其特征在于，包括固定基体、柔性基体、温度敏感薄膜阵列、电极阵列、柔性覆盖层和电导线，其中：所述柔性基体固定在所述固定基体上，所述温度敏感薄膜阵列固定在所述柔性基体和柔性覆盖层之间，所述电极阵列固定在所述柔性基体上，所述温度敏感薄膜阵列与所述电极阵列互联，所述柔性覆盖层覆盖在所述温度敏感薄膜阵列上，所述电导线连接所述电极；所述柔性基体、柔性覆盖层均是聚酰亚胺材料，所述温度敏感薄膜是Cr/Pt或者Ti/Au。
2.根据权利要求1所述的一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列，其特征在于，所述柔性基体厚度为10-50μm。
3.根据权利要求1所述的一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列，其特征在于，所述固定基体表面平整，固定基体是玻璃片或者硅片。
4.根据权利要求3所述的一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列，其特征在于，所述固定基体厚度为500μm。
5.根据权利要求1所述的一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列，其特征在于，所述温度敏感薄膜阵列是Cr/Pt或者Ti/Au薄膜阵列，厚度为100-300nm。
6.根据权利要求1所述的一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列，其特征在于，所述电极阵列是Ti/Au电极阵列，厚度为100-250nm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列，其特征在于，所述柔性覆盖层采用载银导电胶实现所述电导线与所述电极阵列的连接。
8.根据权利要求7所述的一种柔性电阻式MEMS温度传感器阵列，其特征在于，所述柔性覆盖层是PI材料，厚度为5-10μm。
9.一种如权利要求1所述柔性电阻式MEMS温度传感器阵列的制备方法，其特征在于，该制备方法包括如下步骤：
第一步、基体材料上表面溅射或热蒸发一层金属牺牲层；
所述金属牺牲层是Cr/Cu合金，或者是Al；
第二步、在金属牺牲层上旋涂柔性基体；
所述柔性基体是PI前聚体，PI前聚体到所述柔性基体的转变通过阶梯温度亚胺化得到；
第三步、制备温度敏感薄膜阵列；
所述温度敏感薄膜阵列是Cr/Pt薄膜阵列，或者Ti/Au薄膜阵列，其微加工工艺包括光刻、显影、溅射、left-off和离子铣；
第四步、制备传感器电极阵列；
所述电极阵列是Ti/Au电极阵列，厚度为20nm/200nm，其中Ti层是粘结层，用于粘结PI和Au；其微加工工艺是光刻、显影、溅射和lift-off工艺；
第五步、覆盖层PI薄膜的制备及其图形化；
所述覆盖层PI薄膜是使用PI薄膜覆盖Pt温度敏感薄膜而露出所述电极阵列；
第六步、剥落柔性传感器；
所述剥落是采用湿法刻蚀的方式刻蚀柔性基体下面的金属牺牲层，使传感器从柔性基体材料上释放下来；
第七步、焊接电导线；
所述焊接是采用载银导电胶连接传感器电极阵列与电导线。
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