专利名称：一种基于mems的金属薄膜应变计加工方法
技术领域：
本发明涉及的是一种微机电系统技术领域的方法，具体涉及一种金属薄膜应变计的MEMS加工方法。
背景技术：
应变是机械零件和构件等物体内任一点或单元体因外力作用引起的形状和尺寸的相对改变。电阻应变计是将被测试件的应变量转换成电阻变化量的敏感元件，是实验应力分析中测量应力、应变和进行结构强度试验的关键元件，也是用来制造能测量多种物理量的传感器的敏感元件，得到广泛的应用。传统应变计由于较低的灵敏度和高功耗，难以满足微小应变测量和低功耗测量的要求。MEMS加工方法扩展了应变计的应用范围，实现了应变计的小型化，使得MEMS应变计尺寸与实现相同测量的传统应变计相比至少小一个数量级。磁控溅射工艺将应变计敏感栅 层材料直接溅射到应变计基底上，不需要粘接剂，提高了应变计的性能。相比传统应变计，MEMS应变计具有灵敏度高、分辨率高、功耗低与测量范围大的特点，可以实现点应力和扭矩的测量，测量时对被测试件影响小，进而提高了测量精度。MEMS加工方法易于实现应变计的批量化生产，降低了单个器件的成本。
发明内容
本发明采用MEMS加工工艺，提供一种金属薄膜应变计MEMS加工方法。本发明的技术方案是，分别对应图I (a) - (k)，一种基于MEMS的金属薄膜应变计加工方法，包括以下步骤步骤I :清洗硅片I ;步骤2 :旋涂PDMS，固化，作为粘接层2 ；步骤3 :在粘接层2上粘贴一层聚酰亚胺薄膜；步骤4 :在步骤3粘贴的聚酰亚胺薄膜上旋涂聚酰亚胺预聚体，采用阶梯升温法热固化，将步骤3粘贴的聚酰亚胺薄膜和本步骤旋涂的聚酰亚胺预聚体一起作为应变计的基底3 ；步骤5 :在步骤4形成的基底3上旋涂光刻胶，图形化应变计敏感栅后，磁控溅射形成敏感栅层薄膜，金属剥离，得到应变计敏感栅4 ；步骤6 :在步骤5的基础上旋涂聚酰亚胺预聚体，采用阶梯升温法热固化形成聚酰亚胺薄膜，作为的覆盖层5。步骤7 :在步骤6形成的覆盖层5上旋涂光刻胶，图形化电连接窗口后，通过RIE刻蚀覆盖层5，得到作为下一步电连接层与敏感栅4之间的电连接窗口 ；去除光刻胶；步骤8 :磁控溅射一层金属膜，作为电连接层6 ;步骤9 :在电连接层6上旋涂光刻胶，图形化应变计锚点后，湿法腐蚀电连接层6的金属膜，形成应变计锚点；去除光刻胶；热处理；
步骤10 :在步骤9基础上旋涂光刻胶，图形化应变计基底，RIE刻蚀步骤3、步骤4和步骤5中形成的聚酰亚胺薄膜，去除光刻胶；步骤11 :将步骤10后的硅片浸泡在酒精溶液中，使得PDMS失去黏性，实现应变计的自释放，完成基于MEMS的金属薄膜应变计的加工。与现有技术相比，其优点为I.采用磁控溅射工艺将应变计敏感栅层材料直接溅射到应变计基底上，不需要粘接剂，提高了应变计的性能。2.采用新工艺解决了手工粘贴聚酰亚胺薄膜产生气泡引起的平整度较低的问题，相比通过连续反复多次涂覆聚酰亚胺预聚体并固化的工艺省时省力。3.采用MEMS加工工艺，实现应变计的小型化，提高了应变计的灵敏度、分辨率和测量范围，降低应变计的功耗。3.实现微小应变的测量，实现点应力和扭矩的测量，减少测量时对被测试件影响，提高测量精度。4.易于实现批量化生产，降低单个器件的成本。
图I为本发明金属薄膜应变计流程示意2为实施例中敏感栅4光刻掩膜版图形示意3为实施例中覆盖层5光刻掩膜版图形示意4为实施例中AL膜6光刻掩膜版图形示意5为实施例中基底3光刻掩膜版图形示意6为实施例中应变计器件中，I-硅，2-PDMS，3_基底，4_敏感栅，5_覆盖层，6-AL膜具体实施实例本实施例中要制备的基于MEMS的金属薄膜应变计如图6所示，包括一段弓形的应变计敏感栅和敏感栅两端的锚点；应变计敏感栅的材料为Ni - Cr合金，应变计锚点材料为AL。分别对应图I (a)-(k)，本实施例中基于MEMS的金属薄膜应变计的加工方法，包括如下步骤步骤1，清洗硅片1，去除表面原生氧化层、有机物污染，然后干燥。普通硅片厚度为 200 μ m，如图 1(a)；步骤2，以硅片I作为基片旋涂PDMS，固化65°C，I小时，作为粘接层2，如图1(b)；所述PDMS是将PDMS预聚体与固化剂以质量比10 I的比例混合，缓慢搅拌并抽真空25min以去除气泡后的混合液中。步骤3，在粘接层2上粘贴厚为25 μ m聚酰亚胺薄膜，用贴片机压合该聚酰亚胺薄膜和步骤2形成的粘接层2，，消除因粘贴引起的气泡，提高聚酰亚胺薄膜平整度，如图I (c)；步骤4，在步骤3粘贴的聚酰亚胺薄膜上旋涂聚酰亚胺预聚体，采用阶梯升温法热固化，所述聚酰亚胺预聚体与步骤3中的聚酰亚胺薄膜结合，作为应变计的基底3，进一步提高聚酰亚胺薄膜平整度，如图1(d)；步骤5，在步骤4形成的基底3上旋涂光刻胶BPEPG533，图形化应变计敏感栅，所用光刻版图像如图2所示。磁控溅射敏感栅层薄膜Ni - Cr合金，厚为0.2 μ m，金属剥离，得到应变计敏感栅4，如图1(e)；步骤6，在步骤5的基础上旋涂聚酰亚胺预聚体，采用阶梯升温法热固化形成聚酰亚胺薄膜，作为应变计的覆盖层5，如图1(f)；步骤7，在步骤6形成的覆盖层5上旋涂光刻胶BPEPG533，图形化电连接窗口，所用光刻版图像如图3所示。RIE刻蚀覆盖层5，得到作为下一步电连接层与敏感栅4之间的电连接窗口 ；使用丙酮去除光刻胶， 如图1(g)；步骤8，磁控溅射一层厚为O. 15 μ m AL膜，作为电连接层6，如图1(h)；步骤9，在电连接层6上旋涂光刻胶BPEPG533，图形化应变计锚点，所用光刻版图像如图4所示。用磷酸腐蚀液湿法腐蚀AL膜，形成应变计锚点，用丙酮去除光刻胶。热处理，如图l(i)。所述磷酸腐蚀液为体积比为50 2 10 9 的 52%H3P04、68%HN03、75%CH3C00H、H2O形成的混合溶液。所述的热处理是在充满氮气环境下进行的，温度为225°C，时间为3小时。步骤10，在步骤9基础上旋涂光刻胶BPEPG533，图形化应变计基底，所用光刻版图像如图5所示。RIE刻蚀步骤3、步骤4和步骤5中形成的聚酰亚胺薄膜，丙酮去除光刻胶，如图l(j);步骤11，将步骤10后的硅片浸泡在酒精溶液中，使得PDMS2失去黏性，实现应变计的自释放，如图l(k)；至此，本实施例中的金属薄膜应变计的加工完成。
权利要求
1.一种基于MEMS的金属薄膜应变计加工方法，包括以下步骤 步骤I:清洗硅片(I); 步骤2 :旋涂PDMS，固化，作为粘接层(2)； 步骤3 :在粘接层(2)上粘贴一层聚酰亚胺薄膜； 步骤4 :在步骤3粘贴的聚酰亚胺薄膜上旋涂聚酰亚胺预聚体，采用阶梯升温法热固化，将步骤3粘贴的聚酰亚胺薄膜和本步骤旋涂的聚酰亚胺预聚体一起作为应变计的基底(3)； 步骤5 :在步骤4形成的基底(3)上旋涂光刻胶，图形化应变计敏感栅后，磁控溅射形成敏感栅层薄膜，金属剥离，得到应变计敏感栅(4)； 步骤6 :在步骤5的基础上旋涂聚酰亚胺预聚体，采用阶梯升温法热固化形成聚酰亚胺薄膜，作为的覆盖层(5)。
步骤7 :在步骤6形成的覆盖层(5)上旋涂光刻胶，图形化电连接窗口后，通过RIE刻蚀覆盖层(5)，得到作为下一步电连接层与敏感栅(4)之间的电连接窗口 ；去除光刻胶； 步骤8 :磁控溅射一层金属膜，作为电连接层(6)； 步骤9 :在电连接层(6)上旋涂光刻胶，图形化应变计锚点后，湿法腐蚀电连接层6的金属膜，形成应变计锚点；去除光刻胶；热处理； 步骤10 :在步骤9基础上旋涂光刻胶，图形化应变计基底，RIE刻蚀步骤3、步骤4和步骤5中形成的聚酰亚胺薄膜，去除光刻胶； 步骤11 :将步骤10后的硅片浸泡在酒精溶液中，使得PDMS失去黏性，实现应变计的自释放，完成基于MEMS的金属薄膜应变计的加工。
全文摘要
本发明公开了一种金属薄膜应变计的MEMS加工方法。该方法采用多次聚酰亚胺旋涂和处理，分别形成应变计的基底、覆盖层，通过金属剥离和湿法腐蚀等分别形成应变计的敏感栅部分和锚点部分，并通过酒精浸泡实现应变计的自释放。与现有技术相比，本发明采用磁控溅射工艺将应变计敏感栅层材料直接溅射到应变计基底上，不需要粘接剂，提高了应变计的性能；采用新工艺解决了手工粘贴聚酰亚胺薄膜产生气泡引起的平整度较低的问题，省时省力；采用MEMS加工工艺，提高了应变计的灵敏度、分辨率和测量范围，降低应变计的功耗；实现微小应变的测量，实现点应力和扭矩的测量，减少测量时对被测试件影响，提高测量精度；易于实现批量化生产，降低单个器件的成本。
文档编号G01B7/16GK102730632SQ20121023959
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月12日 优先权日2012年7月12日
发明者周平伟, 杨勇, 洪水金, 袁广民, 谢建兵, 郭勇君 申请人:西北工业大学