CN1632697A - 一种柔性光学传感器的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性光学传感器的制作方法，步骤为：①光刻成形；②热熔；③离子刻蚀；④淀积保护层；⑤在正面淀积一层Cr或Al金属，光刻、刻蚀出金属图形，接着，在金属层上旋转涂覆聚酰亚胺，再进行固化；⑥在背面深刻蚀硅，直至硅底减薄至60－80μm，形成硅岛结构，最后再涂覆聚酰亚胺，并固化，即得到所需的柔性光学传感器。本发明的关键在于采用曲面微透镜技术制作柔性光学传感器。这种技术所制作的微传感器兼具柔性和强度，且与硅工艺相兼容。本发明制作的光学传感器能同时测量目标距离和方位角、并具有自动绕行或跨越障碍物的能力，在智能微型探测系统、智能机器人视觉系统等方面有广泛的应用空间。
Description
技术领域
本发明属于传感器制作技术领域，具体涉及一种柔性光学传感器的制作方法。
背景技术
众所周知，在生物界各种传感器基本上都是柔性的，可以分布在各种曲面上，如人体的触觉传感器，一些昆虫的视觉传感器。在工业界，人们也研制了许多传感器，能够完成一定的功能，但这些传感器基本上都是在刚性衬底上制作，只能用在平面上，不能弯曲，与生物界的传感器相比，其应用受到了很大的局限。在实际应用中，许多情况下需要将微型传感器贴于非平面上，如人的手指、手臂、飞机的机翼和机器人的眼睛等，这就使得一种新型的传感器应运而生，该传感器基于柔性衬底，能够折叠或卷曲，容易粘附在任意非平面上，被称之为柔性传感器。由于结构的特殊，柔性传感器具有一般传感器更为广泛的应用前景，如在军事、生物医学和机器人等方面都迫切需要这种使用简单、封装方便的传感器。目前，仅有国外有些机构开展了这方面的研究工作，如UCLA和Caltech等大学研制了一种传感器，可以贴在无人驾驶飞机机翼上，用于测量温度、压力等参数。由于飞机机翼尖的形状为近似圆柱状，要求这种柔性传感器可以沿着180度的角度卷曲。这种传感器主要是在柔性衬底，如塑料、聚合物上加工而成的。在国内，也有少数人开展了一些研究，但主要的研究方向是在柔性衬底上淀积一些膜层，没有制作出真正的柔性传感器。
发明内容
本发明目的在于提供一种仿生柔性光学传感器的制作方法。该方法所制作的光学传感器兼具较好的柔性和强度，不仅体积微型化，而且适合于大批量生产。
本发明提供的一种柔性光学传感器的制作方法，其步骤为：
(1).光刻成形：选用双面抛光的硅片作为基片，清洗后烘干，采用旋涂法涂正性光刻胶，前烘、曝光、显影后，用去离子水清洗，坚膜，使胶膜受热后聚合，形成立方体状浮雕结构；
(2).热熔：将样片放入退火炉内恒温区的中部进行退火处理，退火腔内充入氩气，并使热熔温度与光刻胶的软化温度之差小于等于20℃；
(3).离子刻蚀：采用反应离子刻蚀机或离子束刻蚀机，对热熔后的基片进行刻蚀，将光刻胶图形转移到衬底上；
(4).淀积保护层：在硅衬底背面淀积一层氮化硅作为保护层；双面对准光刻，露出要刻蚀的Si；
(5).在正面淀积一层Cr或Al金属，光刻、刻蚀出金属图形，接着，在金属层上旋转涂覆聚酰亚胺，再进行固化；
(6).在背面深刻蚀硅，直至硅底减薄至60-80μm，形成硅岛结构，最后再涂覆聚酰亚胺，并固化，即得到所需的柔性光学传感器。
本发明的关键在于采用曲面微透镜技术制作柔性光学传感器。这种曲面光学传感器具有视觉系统微型化(体积小)、数量大(由成千上万个微透镜组成)特点。这种技术所制作的微传感器既具有一定的柔性，又具有一定的强度，而且与传统的硅工艺相兼容。与直接制作在塑料，聚合物等衬底上的传感器相比，可以耐受加工时的高温条件，光学传感器的性能也更加可靠。利用微光学技术制作这种仿生柔性光学传感器，不仅体积微型化，而且还可大批量重复生产。本发明制作的光学传感器能同时测量目标距离和方位角、并具有自动绕行或跨越障碍物的能力，在智能微型探测系统、智能机器人视觉系统等方面有广泛的应用空间。
附图说明
图1为平面微透镜阵列的制作工艺流程：
A：旋涂光刻胶，B：紫外曝光，C：显影，D：热熔光刻胶，E1刻蚀，E2：微透镜形成；
图2为热熔工艺的温度变化曲线；
图3为实例1平面微透镜台阶扫描曲线；
图4为实例2平面微透镜台阶扫描曲线；
图5为实例1中柔性的微透镜阵列；
图6为实例2中柔性的微透镜阵列。
具体实施方式
实例1
本发明首先在硅刚性衬底的正面制作光学传感器阵列，利用深刻蚀技术在硅衬底背面上形成大面积分布的硅岛阵列，并在背面涂覆一层柔性材料。每个硅岛作为支撑单个光学传感器的结构，这样，便由成千上万个硅岛构成了整个传感器系统。
整个传感器的具体制作工艺过程如图1所示，详述如下：
1.选用双面抛光的硅片作为基片，其厚度为350μm。经超声清洗后，在恒温温度为140℃的烘箱中烘干。使用的正性光刻胶AZ1500，采用旋涂法涂胶。试验中采用的甩胶转速为4000rpm，甩胶时间为35秒，将涂完胶的基片放在85℃烘箱中前烘25分钟，使胶膜干燥并能同基片更紧密接触，如图1(A)所示。基片的曝光时间为90秒左右。曝光完成后，显影时间80秒，显影完后用去离子水清洗。然后将显影后的基片放入高温90℃烘箱中坚膜30分钟左右，使胶膜受热后进一步聚合，以增强抗蚀能力。光刻胶层最后成为了立方体状浮雕结构，如图1(B)和(C)所示。
2.热熔：为了形成近似的球面形状，进行热熔工艺，如图1(D)所示。这一工艺过程是在退火炉中进行的。退火时样片须放在退火炉内恒温区的中央，以保证加热温度的稳定。退火炉为半封闭式结构，其退火腔内充入气流量为6ml/s的保护气体Ar气，防止光刻胶氧化。热熔温度不能高于光刻胶的软化温度太多，否则光刻胶极易在高温下分解，由于AZ1500光刻胶的熔点在180℃左右，试验中所采用的热熔温度为190℃。退火温度变化曲线如图2所示，其中降温过程是自然冷却过程。
3.反应离子刻蚀(RIE)：采用ME-3A型反应离子刻蚀机将光刻胶图形转移到衬底上，如图1(E)所示。在以AZ1500光刻胶为掩蔽层刻蚀硅的情况下，采用见表1所示的刻蚀工艺参数，对硅和光刻胶可以获得满意的刻蚀速度和刻蚀比。刻蚀后的微透镜台阶测试曲线如图3所示。
4.接着在硅衬底背面淀积一层300nm厚的氮化硅(Si3N4)作为保护层；双面对准光刻，露出要刻蚀的Si。
5.在正面淀积一层金属Cr，光刻、刻蚀出Cr图形，接着，在Cr层上旋转涂覆聚酰亚胺(ZKPI-305 Polyimide)，固化(150°保持30分种，250°保持30分钟，350°保持1小时，然后自然冷却)。
6.在背面深刻蚀硅，减薄至60μm，形成硅岛结构，最后再涂覆聚酰亚胺，并固化，形成整个柔性微透镜阵列结构，如图5所示。从图5可以看出，卷曲之后的透镜视场角明显增大。
表1磁增强反应离子刻蚀参数表
工作气体 CHF3 O2
气体流速 22sccm 1sccm
刻蚀速率 75nm/min(硅) 73nm/min(光刻胶)
刻蚀比 1∶0.97
射频功率 30W
实例2
1.选用双面抛光的硅片作为基片，其厚度为400μm。经超声清洗后，在恒温温度为140℃的烘箱中烘干。使用的正性光刻胶AZ5214，采用旋涂法涂胶。试验中采用的甩胶转速为3000rpm，甩胶时间为30秒，如图1(A)所示，将涂完胶的基片放在112℃热板上前烘90秒。基片的曝光时间为2分钟左右。曝光完成后，显影时间60秒，显影完后用去离子水清洗。然后将显影后的基片放入温度100℃的热板上坚膜3分钟左右，使胶膜受热后进一步聚合，以增强抗蚀能力。光刻胶层最后成为了立方体状浮雕结构，如图1(B)和(C)所示。
2.热熔：为了形成近似的球面形状，进行热熔工艺，如图1(D)所示。这一工艺过程是在退火炉中进行的。退火时样片须放在退火炉内恒温区的中央，以保证加热温度的稳定。退火炉为半封闭式结构，其退火腔内充入气流量为6ml/s的保护气体Ar气，防止光刻胶氧化。热熔温度不能高于光刻胶的软化温度太多，否则光刻胶极易在高温下分解，由于AZ5214光刻胶的熔点也在180℃左右，试验中所采用的热熔温度为190℃。退火温度变化曲线如图2所示，其中降温过程是自然冷却过程。
3.离子束刻蚀(IBE)：采用LD-3型离子刻蚀机将光刻胶图形转移到衬底上，如图1(E)所示。在以AZ5214光刻胶为掩蔽层刻蚀硅的情况下，采用见表2所示的刻蚀工艺参数，对硅和光刻胶可以获得满意的刻蚀速度
表2离子束刻蚀参数表
束能 500eV
束流 50mA
工作室压强 6.7×10-4Pa
入射角 30°
刻蚀速率 25nm/min(硅)，28nm/min(光刻胶)
刻蚀比 1∶1.1
和刻蚀比。刻蚀后的微透镜台阶测试曲线如图4所示。
4.接着在硅衬底背面淀积一层500nm厚的氮化硅(Si3N4)作为保护层；双面对准光刻，露出要刻蚀的Si。
5.在正面淀积一层金属铝，光刻、刻蚀出铝图形，接着，在铝层上旋转涂覆聚酰亚胺(ZKPI-530 Polyimide)，固化(180°保持30分种，300°保持30分钟，400°保持1小时，然后自然冷却)。
6.在背面深刻蚀硅，减薄至80μm形成硅岛结构，最后再涂覆聚酰亚胺，并固化，形成整个柔性微透镜阵列结构，如图6所示。从图6可以看出，卷曲之后的透镜视场角明显增大。
Claims (1)
1、一种柔性光学传感器的制作方法，其步骤包括：
(1).光刻成形：选用双面抛光的硅片作为基片，清洗后烘干，采用旋涂法涂正性光刻胶，前烘、曝光、显影后，用去离子水清洗，坚膜，使胶膜受热后聚合，形成立方体状浮雕结构；
(2).热熔：将样片放入退火炉内恒温区的中部进行退火处理，退火腔内充入氩气，并使热熔温度与光刻胶的软化温度之差小于等于20℃；
(3).离子刻蚀：采用反应离子刻蚀机或离子束刻蚀机，对热熔后的基片进行刻蚀，将光刻胶图形转移到衬底上；
(4).淀积保护层：在硅衬底背面淀积一层氮化硅作为保护层；双面对准光刻，露出要刻蚀的Si；
(5).在正面淀积一层Cr或Al金属，光刻、刻蚀出金属图形，接着，在金属层上旋转涂覆聚酰亚胺，再进行固化；
(6).在背面深刻蚀硅，直至硅底减薄至60-80μm，形成硅岛结构，最后再涂覆聚酰亚胺，并固化，即得到所需的柔性光学传感器。
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