CN109553061A - 一种新型“三明治”结构柔性热膜微传感器及制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型“三明治”结构柔性热膜微传感器及制作方法，属于微机电系统(MEMS)领域。本发明采用顶层热敏单元5‑中间绝缘层3‑底层发热单元6的三层薄膜结构，顶层热敏单元5和底层发热单元6之间通过中间绝缘层3进行电隔离，相互独立工作。顶层热敏单元5和底层发热单元6结构尺寸完全相同对称且工作温度相同，消除了顶层热敏单元向基底的热传导，大大提高了传感器的测量精度和动态特性。通过薄膜沉积和两次光刻工艺实现传感器结构的制备，保证了顶层热敏单元5和底层发热单元6空间位置关系。

Description

一种新型“三明治”结构柔性热膜微传感器及制作方法
所属技术领域：
本发明涉及一种新型“三明治”结构柔性热膜微传感器及制作方法，属于微机电系统(MEMS)领域。
背景技术：
作为基本流体力学参量之一,流体壁面剪应力(摩阻应力)是精确掌控摩擦阻力、深入了解边界层流动状态的重要物理量,其有效测量可以显著提升流体实验测试技术水平。在湍流中，边界层具有微秒量级的时间尺度和微米量级的长度尺度。湍流脉动剪应力的测试对传感器性能提出了较高的要求,传统的测试手段无法满足测量需求。微机电系统(MEMS)技术的发展为壁面剪应力的测量提供了一种新手段。其中,基于MEMS技术的柔性热膜微传感器以柔性聚合物材料为基底,可实现对剪应力的间接测量,具有时间/空间分辨率高、灵敏度高及功耗低的特点。可应用于飞行器、水下航行器和发动机等各种复杂型面的测量，具有广阔的应用前景。
柔性热膜微传感器的典型结构是在柔性基底上沉积热敏薄膜，然后通过光刻和湿法刻蚀工艺对热敏薄膜进行图形化，形成热敏单元。这种结构使得传感器在工作时除了和流体之间的强制对流换热外还存在向基底的热传导，大大降低了传感器的测量精度和动态特性。为了减小传感器向基底的热耗散量，德国柏林工业大学和西北工业大学分别设计并制备了具有空腔结构的柔性热膜微传感器。其工艺实现方法为先在柔性基底表面通过溅射、光刻工艺形成热敏单元，再对柔性基底进行干法刻蚀，从而在热敏单元下方获得空腔结构。该传感器结构将向基底的热传导转变为与空腔结构中流体的自然对流换热，减小了向基底的热耗散。
该传感器结构的不足是虽然降低了热敏单元向基底的热耗散量，但是并没有完全消除。热敏单元与空腔结构中流体的对流换热仍然制约着传感器测量精度和动态特性的提升。
发明内容：
为了克服现有技术依然存在向基底热耗散的缺点，本发明提出了一种新型“三明治”结构柔性热膜微传感器及制作方法。
一种新型“三明治”结构柔性热膜微传感器，包括柔性基底1与基底之上三层薄膜的“三明治”结构，其特征在于，所述的“三明治”结构为顶层热敏单元5-中间绝缘层3-底层发热单元6的三层薄膜结构；所述顶层热敏单元5用于测量壁面剪应力，底层发热单元6用于消除顶层热敏单元5向基底的热传导；顶层热敏单元5和底层发热单元6之间通过中间绝缘层3进行电隔离，相互独立工作；顶层热敏单元5和底层发热单元6结构尺寸完全相同且对称；顶层热敏单元5的电信号通过顶层引线4引出，底层发热单元6的电信号通过底层引线2引出。
一种新型“三明治”结构柔性热膜微传感器制作方法，包括如下步骤：
步骤1：将柔性基底粘结在硬质衬底表面；
步骤2：在柔性基底表面沉积底层金属薄膜，光刻图形化后形成底层热敏单元6和底层引线2结构；
步骤3：在底层引线2末端部分涂覆光刻胶；
步骤4：在底层金属薄膜表面沉积中间绝缘层3薄膜；
步骤5：在中间绝缘层3薄膜表面沉积顶层金属薄膜，光刻图形化后形成顶层热敏单元5和顶层引线4结构；
步骤6：去除步骤3中涂覆的光刻胶，露出底层引线2末端部分；
步骤7：加热硬质衬底，实现柔性基底与硬质衬底的剥离。
本发明的有益效果是：
顶层热敏单元5和底层发热单元6使用恒温驱动电路以保证完全相同的工作温度，两者之间不存在温度梯度，消除了顶层热敏单元5向基底的热传导，可大幅提升传感器的测量精度和动态特性。
顶层热敏单元5和底层发热单元6之间使用中间绝缘层3进行电隔离，避免了两者之间的耦合干扰，确保了两者的相互独立工作。
为了与标准MEMS工艺兼容，本发明采用硬质衬底来实现传感器加工过程中柔性基底的固定，通过薄膜沉积和两次光刻工艺实现传感器结构的制备，并保证了顶层热敏单元5和底层发热单元6空间位置关系。
下面结合附图和实施例对本发明作详细说明。
附图说明：
图1是实施例中“三明治”结构柔性热膜微传感器结构示意图；
图2是图1的A-A剖视图；
图3是图1的B-B剖视图；
图4是实施例中“三明治”结构柔性热膜微传感器制作工艺流程图；
图中，1-聚酰亚胺柔性基底；2-底层引线；3-中间绝缘层；4-顶层引线；5-顶层热敏单元；6-底层发热单元。
具体实施方式：
本实施例中新型“三明治”结构柔性热膜微传感器，包括柔性基底1与基底之上三层薄膜的“三明治”结构，其特征在于，所述的“三明治”结构为顶层热敏单元5-中间绝缘层3-底层发热单元6的三层薄膜结构；本实施例中，所述顶层热敏单元5与底层发热单元6均为1微米厚的镍薄膜，所述顶层热敏单元5用于测量壁面剪应力，底层发热单元6用于消除顶层热敏单元5向基底的热传导；顶层热敏单元5和底层发热单元6之间通过中间绝缘层3进行电隔离，相互独立工作，本实施例中，中间绝缘层3为5微米厚度C型聚对二甲苯(Parylene C)；顶层热敏单元5和底层发热单元6结构尺寸完全相同且对称；顶层热敏单元5的电信号通过顶层引线4引出，底层发热单元6的电信号通过底层引线2引出。
本实施例提出“三明治”结构柔性热膜微传感器的制作方法，具体包括如下步骤：
步骤1：在清洗后的硬质玻璃衬底表面旋涂5微米厚的PDMS，其中PDMS胶液和固化剂的配比为10:1，搅拌均匀后放入真空干燥箱抽真空15分钟，旋涂转速为3000rpm；将厚度为50微米的聚酰亚胺薄膜贴附于旋涂有PDMS的玻璃表面，然后放入真空干燥箱，在65℃温度条件下抽真空20分钟。
步骤2：将粘结于玻璃衬底表面的聚酰亚胺薄膜放入磁控溅射仪腔室，沉积1微米厚度的底层金属薄膜-镍薄膜；使用光刻和湿法刻蚀工艺对镍薄膜进行图形化，形成底层发热单元6及底层引线2，镍薄膜湿法刻蚀使用为FeCl3溶液；
步骤3：在底层引线2末端部分涂覆光刻胶；
步骤4：放入SCS PDS2010实验室专用聚对二甲苯沉积设备中，沉积5微米厚度C型聚对二甲苯(Parylene C)薄膜作为中间绝缘层3；
步骤5：沉积中间绝缘层3后再次放入磁控溅射仪腔室，沉积1微米厚度的顶层金属薄膜-镍薄膜；使用光刻和湿法刻蚀工艺对镍薄膜进行图形化，形成顶层热敏单元5及顶层引线4，镍薄膜湿法刻蚀同样使用FeCl3溶液；
步骤:6：使用丙酮溶液去除步骤3中涂覆的光刻胶，暴露出底层引线2的末端部分；
步骤7：将玻璃衬底加热到80℃，实现聚酰亚胺基底和玻璃衬底的剥离，释放柔性双层热膜微传感器。

Claims (4)

1.一种新型“三明治”结构柔性热膜微传感器，其特征在于，包括柔性基底1与基底之上三层薄膜的“三明治”结构，所述的“三明治”结构为顶层热敏单元5-中间绝缘层3-底层发热单元6的三层薄膜结构；所述顶层热敏单元5用于测量壁面剪应力，底层发热单元6用于消除顶层热敏单元5向基底的热传导；顶层热敏单元5和底层发热单元6之间通过中间绝缘层3进行电隔离，相互独立工作；顶层热敏单元5和底层发热单元6结构尺寸完全相同且对称；顶层热敏单元5的电信号通过顶层引线4引出，底层发热单元6的电信号通过底层引线2引出。
2.一种如权利要求1所述的新型“三明治”结构柔性热膜微传感器，其特征在于，所述中间绝缘层3为C型聚对二甲苯。
3.一种如权利要求1所述的新型“三明治”结构柔性热膜微传感器，其特征在于，所述顶层热敏单元5和底层发热单元6均为图形化的镍薄膜。
4.一种如权利要求1所述新型“三明治”结构柔性热膜微传感器制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将柔性基底粘结在硬质衬底表面；
步骤2：在柔性基底表面沉积底层金属薄膜，光刻图形化后形成底层热敏单元6和底层引线2结构；
步骤3：在底层引线2末端部分涂覆光刻胶；
步骤4：在底层金属薄膜表面沉积中间绝缘层3薄膜；
步骤5：在中间绝缘层3薄膜表面沉积顶层金属薄膜，光刻图形化后形成顶层热敏单元5和顶层引线4结构；
步骤6：去除步骤3中涂覆的光刻胶，露出底层引线2末端部分；
步骤7：加热硬质衬底，实现柔性基底与硬质衬底的剥离。
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