CN110836742B - 一种主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器及其制作方法 - Google Patents

一种主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器及其制作方法，属于传感器技术领域。该传感器包括柔性衬底1、中间绝缘层2、下层发热单元3、上层热敏单元4、下层线阻单元5和上层线阻单元6；所述传感器上下层工作过程中通过中间绝缘层2来实现电隔离；所述主动隔热方式是指上层热敏单元4直接与流场进行强制对流换热，输出信号直接反映流体壁面剪应力的大小，下层发热单元3通过电流驱动产热隔绝上层热敏单元4向基底的导热作用。本发明的传感器输出信号完全反映其与流场的强制对流换热作用，完全反映流体壁面剪应力的大小，进一步提升传感器的静动态性能。

Description

一种主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器及其制作方法
所属领域：
本发明公开了一种主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器及其制作方法，属于传感器技术领域。
背景技术：
流体壁面剪应力是形成流动摩擦阻力的基础，是研究边界层流动状态的直接物理量，是精细掌握与控制大型飞机、航空发动机、水下航行器、高铁流体摩擦阻力的重要依据。流体壁面剪应力的测量同时也是实验空气动力学领域中的一项重要测试任务。精确的测量剪应力能够判断边界层内的流体运动状态，为主动流动控制、摩擦阻力的计算提供依据，也是对飞行器以及水下航行器开展外形优化设计以及减阻降噪设计的重要参考依据。由于其量值极小、动态性高、被测流场极易受到干扰破坏而一直缺乏有效的测试手段。
采用新原理、新方法，发挥微机电系统(MEMS)独特优势，开发出的柔性热膜剪应力微传感器相比较传统的剪应力测量方法，具有可柔性贴附、质量体积小、可阵列化、可集成化和响应速度快等特点。可以间接实现流体壁面剪应力、速度等流动参数的精确测量，在气动和水动测量中具有广阔的应用前景。
柔性热膜剪应力微传感器的典型结构是在柔性衬底上沉积一层金属层，通过光刻刻蚀图形化形成热敏单元，后续在热敏单元表面沉积一层保护膜，以避免空气中的杂质颗粒划伤及出现水下工作短路现象。通过电流驱动热敏单元使其发热，热敏单元与流场进行强制对流换热，输出信号直接反映流体壁面剪应力的大小。但该种结构的热敏单元在工作过程中，所产生的热量不仅用于向流体的有效换热，同时还包括向基底的导热作用，向基底的导热量占总热量的比值较大。这一部分的导热量严重影响了传感器的灵敏度和动态特性。为了降低并且最终隔绝传感器热敏单元向基底的热耗散，美国加利福尼亚大学洛杉矶分校、加州理工大学和普林斯顿大学相继制备了带真空腔式的传感器，在热敏单元下方制作了真空隔热腔体。
但该方法无法从根本上消除热敏单元向基底的导热量，仍然无法高效的提升传感器的静动态性能。硬质基底使得传感器不可用于曲面模型流场测试，具有很大的应用局限性。在工艺方面，真空腔结构使得制备成本及工艺难度大大增加，器件一致性较差，制约了其推广与应用。
发明内容：
本发明的目的是为了充分隔绝传感器热敏单元向基底的导热作用，使得传感器的输出信号完全反映其与流场的强制对流换热作用，完全反映流体壁面剪应力的大小，进一步提升传感器的静动态性能；同时，使得测量敏感单元尽量远离信号引出端，使得信号引出端尽量不破坏测量点的流场状态，提出了一种主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器及其制作方法。
一种主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器，包括柔性衬底1、中间绝缘层2、下层发热单元3、上层热敏单元4、下层线阻单元5和上层线阻单元6；所述下层发热单元3与下层线阻单元5相连且厚度相同，该结构沉积在柔性衬底1上且被中间绝缘层2覆盖，下层发热单元3的电流驱动和信号采集都通过下层线阻单元5的连接实现；所述上层热敏单元4与上层线阻单元6相连且厚度相同，该结构沉积在中间绝缘层2上，上层热敏单元4的电流驱动和信号采集都通过上层线阻单元6的连接实现；所述下层发热单元3-下层线阻单元5的中心线和上层热敏单元4-上层线阻单元6的中心线平行，且两条中心线所构成的平面与基底平面垂直；所述传感器上下层工作过程中通过中间绝缘层2来实现电隔离；所述主动隔热方式是指上层热敏单元4直接与流场进行强制对流换热，输出信号直接反映流体壁面剪应力的大小，下层发热单元3通过电流驱动产热隔绝上层热敏单元4向基底的导热作用。
进一步的，所述中间绝缘层材料为聚酰亚胺(PI)材料。
进一步的，所述中间绝缘层厚度为3～10μm。
进一步的，所述下层发热单元3与上层热敏单元4的宽度比值为1.2～2.0。
进一步的，所述传感器下层线阻单元5和上层线阻单元6均布置于同侧。
所述主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器制作方法，包括如下步骤：
步骤1：在硬质载体上旋涂粘接剂；
步骤2：将柔性衬底贴附于硬质载体表面；
步骤3：旋涂光刻胶于柔性衬底之上；
步骤4：将光刻胶通过第一块掩膜版曝光，显影。光刻胶表面呈现出下层发热单元3以及下层线阻单元5的图案；
步骤5：在显影后的光刻胶表面沉积一定厚度的金属薄膜；
步骤6：通过剥离工艺去除光刻胶，存留下的金属薄膜形成下层发热单元3以及下层线阻单元5的结构；
步骤7：在剥离后的表面旋涂一层绝缘层前驱体溶液，经热处理固化后形成中间绝缘层2结构；
步骤8：在中间绝缘层2表面旋涂一层光刻胶；
步骤9：将光刻胶通过第二块掩膜版套刻曝光，显影。光刻胶表面呈现出上层热敏单元4以及上层线阻单元6的图案；
步骤10：在显影后的光刻胶表面沉积一定厚度的金属薄膜；
步骤11：通过剥离工艺去除光刻胶，存留下的金属薄膜形成上层热敏单元4以及上层线阻单元6结构；
步骤12：将整个片子置于有机溶剂中浸泡一段时间，粘接剂溶解，使得传感器结构从硬质载体上剥离下来。
有益效果：
本发明利用微机电系统(MEMS)工艺开发出了一种主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器。传感器工作过程中下层发热单元3和上层热敏单元4温度相同，相互独立工作，中层绝缘层2起电绝缘作用。中间绝缘层厚度为3～10μm，采用聚酰胺酸溶液旋涂亚胺化后的聚酰亚胺(PI)材料。该材料为柔性材料，同时具备优异的热学性能、机械性能、高绝缘性能。相较于聚对二甲苯、氧化锆和氧化硅材料，PI与金属具有更好的粘附性和抗弯曲能力。PI涂层在很薄的情况下依旧可以保持良好的绝缘性能。因为下层发热单元3和上层热敏单元4温度相同，且PI绝缘层很薄，厚度在3～10μm，故绝缘层处的温度梯度小。因此，上层热敏单元4向下方绝缘层的导热作用很小，下层发热单元3可以有效隔绝上层热敏单元4向下方绝缘层的导热作用。与此同时，上层热敏单元4在工作过程中的热场宽度要大于其本身物理尺度，传感器沿流场方向的宽度边缘部分会出现温度梯度骤增的情况，本专利通过薄膜沉积技术获得的下层发热单元3与上层热敏单元4的沿流场流向宽度比值为1.2～2.0，增加的宽度使得下层发热单元温度保温范围变广，大大减小了边缘温度梯度，大大减少了上层热敏单元向边缘绝缘层的导热量，使得传感器的输出信号近乎完全反映其与流场的强制对流换热作用，近乎完全反映流体壁面剪应力的大小，从而有效提升传感器的静动态性能。传感器在驱动输入端和信号引出端口需要使用焊锡连接外部导线，焊锡点具有一定高度会破坏流场。本发明专利采用四线制测电阻单端引出信号方式，下层线阻单元5和上层线阻单元6均布置于同侧，使得传感器在四英寸标准生产线的固定面积上，测量敏感单元尽可能远离信号引出端，信号引出端不破坏测量点的流场状态，减小了测量误差，传感器输出信号真实反应流场的状态。
附图说明：
图1是实施例中主动隔热方式的柔性热膜剪应力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是实施例中主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器制作方法工艺流程图；
图中，1-柔性衬底；2-中间绝缘层；3-下层发热单元；4-上层热敏单元；5-下层线阻单元；6-上层线阻单元。
具体实施方式：
本实施例中主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器，包括柔性衬底1、中间绝缘层2、下层发热单元3、上层热敏单元4、下层线阻单元5和上层线阻单元6。本实施例中，所述柔性衬底1为50μm的成品聚酰亚胺薄膜；所述中间绝缘层2为10μm的旋涂聚酰胺酸亚胺化形成的自制薄膜材料；所述下层发热单元3、上层热敏单元4、下层线阻单元5和上层线阻单元6均为0.5μm的等厚度镍膜结构，下层发热单元3宽度为100μm，上层热敏单元4的宽度为50μm，结构尺度最优参数通过传感器传热仿真获得。所述传感器工作过程中下层发热单元3和上层热敏单元4温度相同，两者之间没有温度梯度；所述下层发热单元3通过电流驱动产热隔绝上层热敏单元4向基底的导热作用，两者通过中层绝缘层2的电绝缘作用相互独立工作。所述上层热敏单元4直接与流场进行强制对流换热，输出信号直接反映流体壁面剪应力的大小。所述下层线阻单元5负责提供驱动下层发热单元3的电流并且采集其输出信号；所述上层线阻单元6负责提供驱动上层热敏单元4的电流通道并采集其输出信号。
本实施例中提出的主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器制作方法，具体包括如下实施步骤：
步骤1：在洁净玻璃片上旋涂3μm的道康宁184硅橡胶粘接剂。旋转转速2000rpm，胶剂量为10mL，旋涂时间60s。旋涂前需要将硅橡胶通过真空干燥箱抽真空10min去除胶中含有的气泡，保证旋涂薄膜的质量；
步骤2：将50μm厚的成品聚酰亚胺薄膜成品柔性衬底贴附于玻璃片表面，贴附后通过真空干燥箱抽出贴附表面的气泡，静置2天待胶自然风干固化；
步骤3：旋涂2μm厚的光刻胶于聚酰亚胺衬底之上，软烘75℃，240s，固化光刻胶；
步骤4：将光刻胶通过第一块掩膜版曝光，显影。光刻胶表面呈现出下层发热单元3以及下层线阻单元5的图案；
步骤5：在显影后的光刻胶表面真空磁控溅射0.5μm的镍薄膜，溅射速率约为11nm/min，腔室温度稳定在30℃；
步骤6：通过剥离工艺使用丙酮溶液去除光刻胶，存留下的镍薄膜形成下层发热单元3以及下层线阻单元结构；
步骤7：在剥离后的表面旋涂一层聚酰胺酸溶液，旋涂参数为1000rpm，亚胺化后形成10μm的中间绝缘层2结构；
步骤8：在中间绝缘层2表面旋涂2μm厚的一层光刻胶；
步骤9：将光刻胶通过第二块掩膜版通过对准标记套刻曝光，显影。下层发热单元3-下层线阻单元5的中心线和上层热敏单元4-上层线阻单元6的中心线平行，且两条中心线所构成的平面与基底平面垂直，下层发热单元3宽度为100μm，上层热敏单元4的宽度为50μm，光刻胶表面呈现出上层热敏单元4以及上层线阻单元6的图案；
步骤10：在显影后的光刻胶表面真空磁控溅射0.5μm的镍薄膜，溅射速率约为11nm/min，腔室温度稳定在30℃；
步骤11：通过剥离工艺使用丙酮溶液去除光刻胶，存留下的镍薄膜形成上层热敏单元4以及上层线阻单元6结构；
步骤12：将整个片子静置于酒精溶液中4小时，道康宁184硅橡胶粘接剂基本溶于酒精，传感器结构从玻璃片上剥离下来，主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器制作完成。

Claims (1)

1.一种主动隔热方式的柔性热膜剪应力微传感器，包括PI柔性衬底1、中间绝缘层2、下层发热单元3、上层热敏单元4、下层线阻单元5和上层线阻单元6；所述下层发热单元3与下层线阻单元5相连且厚度相同，该结构沉积在柔性衬底1上且被中间绝缘层2覆盖，下层发热单元3的电流驱动和信号采集都通过下层线阻单元5的连接实现；所述上层热敏单元4与上层线阻单元6相连且厚度相同，该结构沉积在中间绝缘层2上，上层热敏单元4的电流驱动和信号采集都通过上层线阻单元6的连接实现；所述下层发热单元3-下层线阻单元5的中心线和上层热敏单元4-上层线阻单元6的中心线平行，且两条中心线所构成的平面与基底平面垂直；其特征在于，所述下层发热单元3与上层热敏单元4的宽度比值为1.2～2.0；所述中间绝缘层材料为聚酰亚胺PI材料。
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