專利名稱：一種基于mems的金屬薄膜應(yīng)變計加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種微機電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域的方法，具體涉及一種金屬薄膜應(yīng)變計的MEMS加工方法。
背景技術(shù)：
應(yīng)變是機械零件和構(gòu)件等物體內(nèi)任一點或單元體因外力作用引起的形狀和尺寸的相對改變。電阻應(yīng)變計是將被測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的敏感元件，是實驗應(yīng)力分析中測量應(yīng)力、應(yīng)變和進行結(jié)構(gòu)強度試驗的關(guān)鍵元件，也是用來制造能測量多種物理量的傳感器的敏感元件，得到廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)應(yīng)變計由于較低的靈敏度和高功耗，難以滿足微小應(yīng)變測量和低功耗測量的要求。MEMS加工方法擴展了應(yīng)變計的應(yīng)用范圍，實現(xiàn)了應(yīng)變計的小型化，使得MEMS應(yīng)變計尺寸與實現(xiàn)相同測量的傳統(tǒng)應(yīng)變計相比至少小一個數(shù)量級。磁控濺射工藝將應(yīng)變計敏感柵 層材料直接濺射到應(yīng)變計基底上，不需要粘接劑，提高了應(yīng)變計的性能。相比傳統(tǒng)應(yīng)變計，MEMS應(yīng)變計具有靈敏度高、分辨率高、功耗低與測量范圍大的特點，可以實現(xiàn)點應(yīng)力和扭矩的測量，測量時對被測試件影響小，進而提高了測量精度。MEMS加工方法易于實現(xiàn)應(yīng)變計的批量化生產(chǎn)，降低了單個器件的成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明采用MEMS加工工藝，提供一種金屬薄膜應(yīng)變計MEMS加工方法。本發(fā)明的技術(shù)方案是，分別對應(yīng)圖I (a) - (k)，一種基于MEMS的金屬薄膜應(yīng)變計加工方法，包括以下步驟步驟I :清洗硅片I ;步驟2 :旋涂PDMS，固化，作為粘接層2 ；步驟3 :在粘接層2上粘貼一層聚酰亞胺薄膜；步驟4 :在步驟3粘貼的聚酰亞胺薄膜上旋涂聚酰亞胺預(yù)聚體，采用階梯升溫法熱固化，將步驟3粘貼的聚酰亞胺薄膜和本步驟旋涂的聚酰亞胺預(yù)聚體一起作為應(yīng)變計的基底3 ；步驟5 :在步驟4形成的基底3上旋涂光刻膠，圖形化應(yīng)變計敏感柵后，磁控濺射形成敏感柵層薄膜，金屬剝離，得到應(yīng)變計敏感柵4 ；步驟6 :在步驟5的基礎(chǔ)上旋涂聚酰亞胺預(yù)聚體，采用階梯升溫法熱固化形成聚酰亞胺薄膜，作為的覆蓋層5。步驟7 :在步驟6形成的覆蓋層5上旋涂光刻膠，圖形化電連接窗口后，通過RIE刻蝕覆蓋層5，得到作為下一步電連接層與敏感柵4之間的電連接窗口 ；去除光刻膠；步驟8 :磁控濺射一層金屬膜，作為電連接層6 ;步驟9 :在電連接層6上旋涂光刻膠，圖形化應(yīng)變計錨點后，濕法腐蝕電連接層6的金屬膜，形成應(yīng)變計錨點；去除光刻膠；熱處理；
步驟10 :在步驟9基礎(chǔ)上旋涂光刻膠，圖形化應(yīng)變計基底，RIE刻蝕步驟3、步驟4和步驟5中形成的聚酰亞胺薄膜，去除光刻膠；步驟11 :將步驟10后的硅片浸泡在酒精溶液中，使得PDMS失去黏性，實現(xiàn)應(yīng)變計的自釋放，完成基于MEMS的金屬薄膜應(yīng)變計的加工。與現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點為I.采用磁控濺射工藝將應(yīng)變計敏感柵層材料直接濺射到應(yīng)變計基底上，不需要粘接劑，提高了應(yīng)變計的性能。2.采用新工藝解決了手工粘貼聚酰亞胺薄膜產(chǎn)生氣泡引起的平整度較低的問題，相比通過連續(xù)反復(fù)多次涂覆聚酰亞胺預(yù)聚體并固化的工藝省時省力。3.采用MEMS加工工藝，實現(xiàn)應(yīng)變計的小型化，提高了應(yīng)變計的靈敏度、分辨率和測量范圍，降低應(yīng)變計的功耗。3.實現(xiàn)微小應(yīng)變的測量，實現(xiàn)點應(yīng)力和扭矩的測量，減少測量時對被測試件影響，提高測量精度。4.易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，降低單個器件的成本。


圖I為本發(fā)明金屬薄膜應(yīng)變計流程示意2為實施例中敏感柵4光刻掩膜版圖形示意3為實施例中覆蓋層5光刻掩膜版圖形示意4為實施例中AL膜6光刻掩膜版圖形示意5為實施例中基底3光刻掩膜版圖形示意6為實施例中應(yīng)變計器件中，I-硅，2-PDMS，3_基底，4_敏感柵，5_覆蓋層，6-AL膜具體實施實例本實施例中要制備的基于MEMS的金屬薄膜應(yīng)變計如圖6所示，包括一段弓形的應(yīng)變計敏感柵和敏感柵兩端的錨點；應(yīng)變計敏感柵的材料為Ni - Cr合金，應(yīng)變計錨點材料為AL。分別對應(yīng)圖I (a)-(k)，本實施例中基于MEMS的金屬薄膜應(yīng)變計的加工方法，包括如下步驟步驟1，清洗硅片1，去除表面原生氧化層、有機物污染，然后干燥。普通硅片厚度為 200 μ m，如圖 1(a)；步驟2，以硅片I作為基片旋涂PDMS，固化65°C，I小時，作為粘接層2，如圖1(b)；所述PDMS是將PDMS預(yù)聚體與固化劑以質(zhì)量比10 I的比例混合，緩慢攪拌并抽真空25min以去除氣泡后的混合液中。步驟3，在粘接層2上粘貼厚為25 μ m聚酰亞胺薄膜，用貼片機壓合該聚酰亞胺薄膜和步驟2形成的粘接層2，，消除因粘貼引起的氣泡，提高聚酰亞胺薄膜平整度，如圖I (c)；步驟4，在步驟3粘貼的聚酰亞胺薄膜上旋涂聚酰亞胺預(yù)聚體，采用階梯升溫法熱固化，所述聚酰亞胺預(yù)聚體與步驟3中的聚酰亞胺薄膜結(jié)合，作為應(yīng)變計的基底3，進一步提高聚酰亞胺薄膜平整度，如圖1(d)；步驟5，在步驟4形成的基底3上旋涂光刻膠BPEPG533，圖形化應(yīng)變計敏感柵，所用光刻版圖像如圖2所示。磁控濺射敏感柵層薄膜Ni - Cr合金，厚為0.2 μ m，金屬剝離，得到應(yīng)變計敏感柵4，如圖1(e)；步驟6，在步驟5的基礎(chǔ)上旋涂聚酰亞胺預(yù)聚體，采用階梯升溫法熱固化形成聚酰亞胺薄膜，作為應(yīng)變計的覆蓋層5，如圖1(f)；步驟7，在步驟6形成的覆蓋層5上旋涂光刻膠BPEPG533，圖形化電連接窗口，所用光刻版圖像如圖3所示。RIE刻蝕覆蓋層5，得到作為下一步電連接層與敏感柵4之間的電連接窗口 ；使用丙酮去除光刻膠， 如圖1(g)；步驟8，磁控濺射一層厚為O. 15 μ m AL膜，作為電連接層6，如圖1(h)；步驟9，在電連接層6上旋涂光刻膠BPEPG533，圖形化應(yīng)變計錨點，所用光刻版圖像如圖4所示。用磷酸腐蝕液濕法腐蝕AL膜，形成應(yīng)變計錨點，用丙酮去除光刻膠。熱處理，如圖l(i)。所述磷酸腐蝕液為體積比為50 2 10 9 的 52%H3P04、68%HN03、75%CH3C00H、H2O形成的混合溶液。所述的熱處理是在充滿氮氣環(huán)境下進行的，溫度為225°C，時間為3小時。步驟10，在步驟9基礎(chǔ)上旋涂光刻膠BPEPG533，圖形化應(yīng)變計基底，所用光刻版圖像如圖5所示。RIE刻蝕步驟3、步驟4和步驟5中形成的聚酰亞胺薄膜，丙酮去除光刻膠，如圖l(j);步驟11，將步驟10后的硅片浸泡在酒精溶液中，使得PDMS2失去黏性，實現(xiàn)應(yīng)變計的自釋放，如圖l(k)；至此，本實施例中的金屬薄膜應(yīng)變計的加工完成。
權(quán)利要求
1.一種基于MEMS的金屬薄膜應(yīng)變計加工方法，包括以下步驟 步驟I:清洗硅片(I); 步驟2 :旋涂PDMS，固化，作為粘接層(2)； 步驟3 :在粘接層(2)上粘貼一層聚酰亞胺薄膜； 步驟4 :在步驟3粘貼的聚酰亞胺薄膜上旋涂聚酰亞胺預(yù)聚體，采用階梯升溫法熱固化，將步驟3粘貼的聚酰亞胺薄膜和本步驟旋涂的聚酰亞胺預(yù)聚體一起作為應(yīng)變計的基底(3)； 步驟5 :在步驟4形成的基底(3)上旋涂光刻膠，圖形化應(yīng)變計敏感柵后，磁控濺射形成敏感柵層薄膜，金屬剝離，得到應(yīng)變計敏感柵(4)； 步驟6 :在步驟5的基礎(chǔ)上旋涂聚酰亞胺預(yù)聚體，采用階梯升溫法熱固化形成聚酰亞胺薄膜，作為的覆蓋層(5)。
步驟7 :在步驟6形成的覆蓋層(5)上旋涂光刻膠，圖形化電連接窗口后，通過RIE刻蝕覆蓋層(5)，得到作為下一步電連接層與敏感柵(4)之間的電連接窗口 ；去除光刻膠； 步驟8 :磁控濺射一層金屬膜，作為電連接層(6)； 步驟9 :在電連接層(6)上旋涂光刻膠，圖形化應(yīng)變計錨點后，濕法腐蝕電連接層6的金屬膜，形成應(yīng)變計錨點；去除光刻膠；熱處理； 步驟10 :在步驟9基礎(chǔ)上旋涂光刻膠，圖形化應(yīng)變計基底，RIE刻蝕步驟3、步驟4和步驟5中形成的聚酰亞胺薄膜，去除光刻膠； 步驟11 :將步驟10后的硅片浸泡在酒精溶液中，使得PDMS失去黏性，實現(xiàn)應(yīng)變計的自釋放，完成基于MEMS的金屬薄膜應(yīng)變計的加工。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種金屬薄膜應(yīng)變計的MEMS加工方法。該方法采用多次聚酰亞胺旋涂和處理，分別形成應(yīng)變計的基底、覆蓋層，通過金屬剝離和濕法腐蝕等分別形成應(yīng)變計的敏感柵部分和錨點部分，并通過酒精浸泡實現(xiàn)應(yīng)變計的自釋放。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用磁控濺射工藝將應(yīng)變計敏感柵層材料直接濺射到應(yīng)變計基底上，不需要粘接劑，提高了應(yīng)變計的性能；采用新工藝解決了手工粘貼聚酰亞胺薄膜產(chǎn)生氣泡引起的平整度較低的問題，省時省力；采用MEMS加工工藝，提高了應(yīng)變計的靈敏度、分辨率和測量范圍，降低應(yīng)變計的功耗；實現(xiàn)微小應(yīng)變的測量，實現(xiàn)點應(yīng)力和扭矩的測量，減少測量時對被測試件影響，提高測量精度；易于實現(xiàn)批量化生產(chǎn)，降低單個器件的成本。
文檔編號G01B7/16GK102730632SQ20121023959
公開日2012年10月17日 申請日期2012年7月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月12日
發(fā)明者周平偉, 楊勇, 洪水金, 袁廣民, 謝建兵, 郭勇君 申請人:西北工業(yè)大學(xué)