[发明专利]一种柔性壁面热线微传感器的新型制作方法

说明书

所属技术领域：

本发明涉及一种柔性壁面热线微传感器的新型制作方法，属于微机电系统（MEMS）领域。

背景技术：

热线传感器是流场信息测试领域中重要的测量器件之一。它作为一种高效、可靠的测量器件，常用于流场流动状态的检测。基于MEMS的壁面热线微传感器因具有动态响应快、灵敏度高以及信噪比高等优点，在流体壁面剪应力和非定常流测量中具有广泛的应用前景。而采用聚酰亚胺柔性基底的壁面热线微传感器不仅具有常规壁面热线微传感器的全部优点，而且可以应用于机翼、机身以及涡轮叶片等各种复杂型面的测量，为相关模型的实验空气动力学提供了可靠的支撑手段。

柔性壁面热线微传感器的典型结构是在敏感元件的下表面设计一个空腔结构，使敏感元件与空气完全接触。德国柏林工业大学从2005年开始研究这种结构的柔性壁面热线微传感器，其工艺实现方法为先在聚酰亚胺柔性基底表面通过光刻工艺形成敏感元件，接着在其表面沉积一层金属薄膜，再图形化该金属薄膜层，使其作为掩膜进行聚酰亚胺的干法刻蚀，利用根切效应（footing effect）来实现敏感元件的悬空，最后将掩膜金属层通过湿法刻蚀去掉。

该制作方法的不足是在形成空腔结构后，湿法刻蚀去掉掩膜金属层的同时会腐蚀已经形成的敏感元件，影响敏感元件的尺寸参数和测量性能，使热线敏感单元达不到设计要求，容易断裂，降低其使用寿命，从而影响传感器的性能。

发明内容：

为了克服现有技术由于正面刻蚀柔性基底带来的腐蚀敏感单元的缺点，本发明提供了一种柔性热线微传感器背面刻蚀柔性基底的工艺方法。为了与标准MEMS工艺兼容，本发明采用硬质衬底来实现加工过程中柔性基底的固定，通过标准光刻工艺实现柔性基底正面器件和导线的图形化，接着在正面沉积聚对二甲苯作为保护和强化层，然后在硬质衬底背面贴附感光蓝膜，采用掩膜曝光及湿法腐蚀实现金属载体的图形化，形成用于柔性基底刻蚀的硬掩膜，再通过反应离子刻蚀实现柔性基底的局部刻蚀，刻蚀完成后采用高温加热的方法实现传感器和硬质衬底的分离。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案：一种柔性壁面热线微传感器的新型制作方法，包括如下步骤：

步骤1：对硬质衬底进行表面抛光和清洗；

步骤2：在硬质衬底上表面旋涂PDMS，所述PDMS作为粘接剂，使聚酰亚胺薄膜与硬质衬底相结合；

步骤3：将聚酰亚胺薄膜贴覆于旋涂有PDMS的硬质衬底表面，采用加温加压装置实现贴合，所述聚酰亚胺薄膜形成柔性壁面热线微传感器的柔性基底2；

步骤4：在聚酰亚胺表面依次沉积第一金属层和第二金属层，图形化后形成敏感元件1和导线5；

步骤5：在形成的敏感元件1和导线5的表面沉积聚对二甲苯4；

步骤6：对硬质衬底图形化，形成空腔3的掩膜层；

步骤7：以图形化的硬质衬底作为掩膜，进行PDMS和聚酰亚胺的刻蚀，形成空腔3；

步骤8：加热硬质衬底，实现柔性壁面热线微传感器和硬质衬底的剥离。

本发明的有益效果是：

1）采用硬质衬底作为加工过程中的载体，不仅可以与MEMS工艺兼容，而且可以用作聚酰亚胺刻蚀的掩膜；

2）加工过程中敏感元件的图形精度易于保证，在进行柔性基底背面刻蚀的过程中不会影响敏感元件；

3）通过对敏感元件上表面沉积聚对二甲苯保护膜，使器件在加工和使用过程中得到了保护，加工完成的柔性热线微传感器甚至在恶劣环境中也可以得到应用。

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是实施例中柔性壁面热线微传感器结构示意图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是实施例1中柔性壁面热线微传感器制作工艺流程图

图中，1—敏感元件；2—柔性衬底；3—空腔；4—聚对二甲苯；5—导线；

具体实施方式：

实施例一：

本实施例提出在柔性热线微传感器背面刻蚀的方法，主要是敏感元件的图形化工艺为湿法腐蚀工艺，具体包括如下步骤：

步骤1：将厚度为100微米的铜箔裁剪为直径为80mm的圆片，并采用抛光机进行表面抛光，抛光后进行铜箔的清洗；

步骤2：在清洗后的铜箔表面旋涂5微米厚的PDMS，其中PDMS配比胶液和固化剂的比例为10:1；转速为2500RPM；

步骤3：将厚度为125微米的聚酰亚胺薄膜贴覆于旋涂有PDMS的铜箔表面，采用温度70℃，压力130Pa进行贴合；