专利名称：一种柔性热敏薄膜电阻阵列的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种柔性热敏薄膜电阻阵列的制作方法，属于微机电系统(MEMS)领 域。
背景技术：
热敏薄膜电阻阵列可以广泛用于制作温度传感器、流速传感器、剪应力传感器的 敏感探头。热敏薄膜电阻阵列制作在聚合物柔性薄膜衬底上相对于硬质衬底上具有可弯 曲、可扭转的特点，可以适应高曲率非平表面上的流场温度、流速、剪应力等的分布式测量 任务；尤其在用于外界流场动态测量时，硬质衬底必须考虑制作热敏元件与衬底间的隔热 结构，而多数聚合物材料的隔热性较好，在聚合物柔性衬底和热敏元件之间不必考虑隔热 结构，简化了工艺和结构。聚酰亚胺(PI)具有较好的隔热性、电绝缘性、机械强度和稳定性，公开号为 CN101082523A的国家发明专利“一种柔性温度传感器的制作方法”介绍了一种在聚酰亚胺 衬底上制作温度传感器的方法。首先，以普通单抛硅片为加工载体，在其上旋涂聚二甲基硅 氧烷(PDMS)作为中间夹层，并将PDMS中间夹层表面进行活化处理；然后，在这一中间夹层 表面上重叠涂覆液态PI预聚体，固化形成PI薄膜；之后旋涂光刻胶，光刻图形化后，连续 溅射金属热敏薄膜层和金属电连接层，采用剥离工艺形成热敏薄膜层，再用光刻图形化的 办法湿法刻蚀去除非电连接处的电连接层金属；最后在顶层涂覆一层PI保护层，光刻图形 化，湿法刻蚀出压焊块区，在热板上与PDMS中间夹层分离，并完成PI的最终固化。上述方法有以下缺点1)虽然PDMS中间夹层在热应力的条件下可以实现与PI膜层的分离，但手工剥离 容易对柔性器件造成损害，且PDMS不耐高温，限制了柔性热敏器件后续的加工条件，如热 处理，增加了工艺的复杂性；2)通过溅射的办法来制作热敏电阻的电连接层，成本较高，而且由于溅射速率的 限制，电连接层厚度一般较薄，使用时会引入较大的导线电阻，而且连续溅射热敏薄膜层和 电连接层后再湿法刻蚀电连接层可能会对热敏薄膜层本身造成腐蚀和损伤；3)由于聚酰亚胺有较好的隔热性，采用聚酰亚胺作为保护层完全覆盖在热敏电阻 上，会降低热敏电阻的对外界流场或温度变化的敏感性。发明的内容为了克服现有方法中上述缺点，本发明提出了一种新的柔性热敏薄膜电阻阵列的 制作方法。本发明的技术方案是，一种柔性热敏薄膜电阻阵列的制作方法，包括如下步骤步骤1 清洗硅片，去除表面原生氧化层、有机物污染，然后干燥；步骤2 在硅片表面沉积一层牺牲层材料；步骤3 采用多次涂布的方法，旋涂PI预聚体，采用阶梯升温法热固化形成PI薄 膜；
步骤4:旋涂光刻胶，并对其进行光刻、显影，使热敏电阻阵列及其电连接部分的 图形定义在光刻胶图形层；所述电连接部分包括导线和焊盘；步骤5 在光刻胶图形层上溅射所需的金属热敏薄膜层；步骤6 去除光刻胶图形层，同时剥离掉光刻胶图形层上附着的金属热敏薄膜，使 需要的热敏薄膜层图形保留下来，然后干燥；步骤7 旋涂光刻胶，对其进行光刻、显影，使电连接层的图形定义在光刻胶图形 层；步骤8 采用电镀的方法，沉积一层电连接层，由于光刻胶图形层的遮挡，只有所 需的电连接部分沉积金属电连接层，热敏电阻部分被光刻胶图形层保护起来；步骤9 将光刻胶图形层去除，之后对热敏电阻进行热处理，消除薄膜沉积时产生 的应力；步骤10 将焊盘部分保护后，放入聚对二甲苯(parylene)的沉积室，沉积一层聚 对二甲苯保护层，沉积结束后裸露出焊盘；步骤11 划片后用对应的牺牲层刻蚀液去除牺牲层，释放PI薄膜，得到柔性热敏 薄膜电阻阵列。本发明的有益效果是1)在柔性衬底上较在硬质衬底上制作热敏薄膜电阻，有更好的适用性，它可折叠， 可弯曲，能够在高曲率复杂表面使用，而且PI隔热性能优异，不需要制作隔热腔体，简化了 工艺和结构，且器件更轻薄，减少了对被测环境的影响；2)液态涂覆PI预聚体制备的PI膜较贴附成型的固态PI膜更为平整，有利于后续 涂覆工序的加工，且光刻对准时也不易发生移位；3)在金属热敏薄膜层上直接电镀电连接层，也就是说电连接层的底部都会直接接 触热敏薄膜层，这样的双层结构既简化了工艺，也使得热敏薄膜层和电连接层接触面积更 大，连接更加可靠；4)电镀的沉积速率大大超过溅射沉积速率，可以经济方便地得到较厚的沉积薄 膜，从而减小了导线电阻，而且避免了连续溅射热敏薄膜层和电连接层后再湿法刻蚀电连 接层对热敏薄膜层金属造成的腐蚀和损伤；5)以聚对二甲苯作为保护层，不但可以在室温下沉积厚度均勻、致密无针孔、透明 无应力的薄膜，而且在非常薄的膜厚条件下，既可以得到优良的电绝缘性、化学稳定性、防 潮防化学盐雾性能和极低的水汽渗透率，甚至满足在潮湿、水下等环境下对于敏感元件及 导线的保护要求，又能够在有效保护热敏元件及其电连接部分的同时，热敏元件的测量敏 感性没有较大幅度降低。
图1.柔性热敏薄膜电阻阵列工艺流程示意2.实施例一热敏薄膜层光刻掩膜版图形示意3.实施例一电连接层光刻掩膜版图形示意4.实施例二热敏薄膜层光刻掩膜版图形示意5.实施例二电连接层光刻掩膜版图形示意图
图中1_硅片；2-牺牲层；3-PI薄膜层；4-光刻胶图形层；5_热敏薄膜层；6_电连 接层；7-聚对二甲苯保护层；
具体实施例方式实施例一本实施例提出在柔性衬底上制作镍(Ni)金属柔性薄膜电阻阵列的方法，具体包 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，如图1(a)；步骤2 減射1微米的金属铬薄膜作为牺牲层2，如图1 (b)；步骤3 采用多次涂布的方法，旋涂PI预聚体，并在该PI预聚体要求的阶梯升温 条件下热固化形成20微米的PI薄膜层3，如图1 (c)。步骤4 旋涂正性光刻胶BP EPG533，并对其进行光刻、显影，所用光刻板图形如图 2，使热敏电阻阵列及其电连接部分的图形定义在光刻胶图形层4上，如图1(d)；步骤5 在光刻胶图形层4上溅射600纳米的镍金属热敏薄膜层5，如图1 (e)；步骤6 用丙酮去除光刻胶图形层4，同时剥离掉光刻胶图形层4上附着的金属镍 薄膜，使需要的热敏薄膜层5图形保留下来，然后干燥，如图1(f)；步骤7 旋涂正性光刻胶BP EPG533，对其进行光刻、显影，所用光刻板图形如图3， 使电连接部分的图形定义在光刻胶图形层4上，如图1(g)；步骤8 在硫酸盐铜电镀液中电镀一层15微米厚的铜金属电连接层6，由于光刻胶 图形层4的遮挡，只有电连接的导线和焊盘部分沉积出铜金属层，热敏电阻部分被光刻胶 图形层4保护起来，如图1(h)；步骤9:在丙酮中将光刻胶图形层4去除，如图l(i)；之后对热敏电阻进行热处 理，消除薄膜沉积时产生的应力；步骤10 用胶带将焊盘部分保护后，放入聚对二甲苯的沉积室，沉积一层2微米厚 的聚对二甲苯保护层7，沉积结束后揭除胶带，裸露出焊盘，如图l(j)；步骤11 划片后用铬刻蚀液去除铬牺牲层2，释放柔性薄膜，得到柔性薄膜电阻阵 列，如图l(k)。实施例二 本实施例提出在柔性衬底上制作钼金属柔性薄膜电阻阵列的方法，具体包括如下 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，如图1(a)；步骤2 溅射800纳米的金属铝(薄膜作为牺牲层2，如图1 (b)；步骤3 采用多次涂布的方法，旋涂PI预聚体，并在该PI预聚体要求的阶梯升温 条件下热固化形成35微米的PI薄膜3，如图1 (c)。步骤3 旋涂正性光刻胶S1818，并对其进行光亥lj、显影，所用光刻板图形如图4，使 热敏电阻阵列及其电连接部分的图形定义在光刻胶图形层4上，如图1(d)；步骤4 在光刻胶图形层4上溅射500纳米的钼金属热敏薄膜层5，如图1 (e)；步骤5 用丙酮去除光刻胶图形层4，同时剥离掉光刻胶图形层4上附着的金属钼 薄膜，使需要的热敏电阻图形保留下来，然后干燥，如图1(f)；
步骤6 旋涂正性光刻胶S1818，对其进行光亥lj、显影，所用光刻板图形如图5，使电 连接部分的图形定义在光刻胶图形层4上，如图1(g)；步骤7 在金电镀液中电镀一层12微米厚的金金属电连接层6，由于光刻胶图形层 4的遮挡，只有电连接的导线和焊盘部分沉积出金金属层，热敏电阻部分被光刻胶图形层4 保护起来，如图1(h)；步骤8:在丙酮中将光刻胶图形层4去除，如图1(f)，之后对热敏电阻进行热处理， 消除薄膜沉积时产生的应力；步骤10 用胶带将焊盘部分保护后，放入聚对二甲苯的沉积室，沉积一层3微米厚 的聚对二甲苯保护层7，沉积结束后揭除胶带，裸露出焊盘，如图l(j)；步骤11 划片后用铝刻蚀液去除铝牺牲层2，释放柔性薄膜，得到柔性薄膜电阻阵 列，如图l(k)。
权利要求
一种柔性热敏薄膜电阻阵列的制作方法，其特征在于，包括如下步骤步骤一清洗硅片，去除表面原生氧化层、有机物污染，然后干燥；步骤二在硅片表面沉积一层牺牲层；步骤三采用多次涂布的方法，旋涂PI预聚体，采用阶梯升温法热固化形成PI薄膜；步骤四旋涂光刻胶，并对其进行光刻、显影，使热敏电阻阵列及其电连接部分的图形定义在光刻胶图形层；所述电连接部分包括导线和焊盘；步骤五在光刻胶图形层上溅射所需的金属热敏薄膜层；步骤六去除光刻胶图形层，同时剥离掉光刻胶图形层上附着的金属热敏薄膜，使需要的热敏薄膜层图形保留下来，然后干燥；步骤七旋涂光刻胶，对其进行光刻、显影，使电连接层的图形定义在光刻胶图形层；步骤八采用电镀的方法，沉积一层电连接层，由于光刻胶图形层的遮挡，只有电连接部分沉积出金属电连接层，热敏电阻部分被光刻胶图形层保护起来；步骤九将光刻胶图形层去除，之后对热敏电阻进行热处理，消除薄膜沉积时产生的应力；步骤十将焊盘部分保护后，放入聚对二甲苯(parylene)的沉积室，沉积一层聚对二甲苯保护层，沉积结束后裸露出焊盘；步骤十一划片后用对应的牺牲层刻蚀液去除牺牲层，释放PI薄膜，得到柔性热敏薄膜电阻阵列。
2.一种如权利要求1所述的柔性热敏薄膜电阻阵列的制作方法，其特征在于，所述的 步骤五中的金属热敏薄膜层材料为镍或钼。
3.—种如权利要求1所述的柔性热敏薄膜电阻阵列的制作方法，其特征在于，所述的 步骤八中的电连接金属层材料为铜。
全文摘要
本发明公开了一种柔性热敏薄膜电阻阵列的制作方法，属于微机电系统(MEMS)领域。该方法首先在硅片上沉积一层牺牲层；在其上旋涂PI预聚体，经热固化形成PI薄膜；然后旋涂光刻胶，光刻图形化后溅射所需的金属热敏薄膜层；采用剥离的方法得到热敏薄膜层图形；之后再旋涂光刻胶，光刻图形化后电镀形成电连接金属层；去胶后可以对热敏电阻进行热处理；最后沉积一层聚对二甲苯保护层，去除牺牲层后得到柔性薄膜电阻阵列。本发明工艺简单，热敏电阻的连接性更为可靠，导线电阻的干扰也较小，使得其作为传感器敏感元件时测量精度大为提高，且能够在保证感器敏感性的条件下，应用于潮湿、水下等环境。
文档编号H01C7/02GK101950644SQ201010277878
公开日2011年1月19日 申请日期2010年9月9日 优先权日2010年9月9日
发明者傅博, 董拴成, 马炳和 申请人:西北工业大学