溅射-电镀微成型制造柔性热膜传感器阵列

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1、航空学报Nov．252011Vo1．32No112147．2152ActaAeronauticaetAstronaut／caSinicaISSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．cnhkxb@buaaedu．ca文章编号：1000—6893(2011)1卜214706溅射一电镀微成型制造柔性热膜传感器阵列马炳和，傅博，李建强，邓进军，董拴成1．西北工业大学陕西省微／纳米系统重点实验室，陕西西安7100722．中国空气动力研究与发展中心高速空气动力研究所

2、，四川绵阳62]661摘要：为了实现流场壁面剪应力等动态定点分布测量，提出了一种新的柔性热膜传感器阵列结构，并介绍了其制作工艺。旋涂并升温固化制备聚酰亚胺柔性薄膜衬底，在衬底上溅射沉积金属镍膜，并用剥离工艺成型热敏电阻元件阵列及其引线区底膜。然后在引线区底膜上电镀沉积铜膜，再剥离成型铜引线。通过电镀可以经济快速地获得较厚的引线铜膜，使得引线电阻远小于热敏元件阻值，有利于减小引线的热敏干扰。经热敏性能测试，其电阻温度系数达到3．6×10／℃以上，线性度优于0．7，并且热敏响应速度极快；结合风洞试验验

3、证了该传感器测量壁面剪应力的有效性，并且获得了较好的测量重复性。该传感器阵列结构简单，工艺成本和复杂度较低，提高了用于非平面应用时柔性热膜元件与引线间的连接可靠性，为高曲率表面的非破坏性动态流场参数测量提供了新手段。关键词：溅射；电镀；微成型；热膜传感器；柔性；剪应力中图分类号：V261；TP212文献标识码：A在航空航天、河流海洋等气动／水动力学研究铂材料电阻温度系数(TCR)高很多，所以有利于中，对定点温度、剪应力等重要流场参数的非破坏获得高的器件灵敏度。然而，国内外研究多存在实时分布测量有着

4、重要而急迫的需求。利用微机以下问题：①热敏电阻元件两端和弓i线焊盘间属电加工(MEMs)技术制作的阵列化微型热膜传于较小搭接面积的握手台阶结构”]，虽然在硬感器可实现流场的快速分布测量，具有空间分辨质衬底微传感器中经常用到，但是对于此处的柔率高、动态性好、灵敏度高等优点。性传感器阵列，工程应用中的弯折极易造成连接一般MEMS热膜传感器多为硅基器件_1]，失效。②引线都是溅射成型，其厚度受限(一般不实际应用中各种非平面表面，特别是高曲率表面超过几微米)，加工效率低，而且成本较高。本文提出了一种新的高

5、可靠性、低引线制作(例如各种翼面、发动机进气道表面、舰船浸水面成本的柔性热膜传感器阵列结构，并介绍了其制等)非常多，硅基硬质衬底MEMS传感器阵列的作工艺。使用受到限制。因此，柔性热敏微传感器阵列研究受到高度关注并成为该领域研究热点。其l柔性热膜传感器的制作中，西北工业大学陕西省微／纳米系统重点实验室1．1测量原理在柔性聚酰亚胺(PI)薄膜衬底上制作了热敏镍薄膜温度及剪应力传感器l_】，由于镍比以往常用的金属热膜传感器的电阻率受温度影响，对于收稿日期：2010—12—3T；退修日期：2011-03

6、—28；录用日期：2011—06—29；网络出版时间：2011．07—1209：04网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／111929V．201007120904．001htmlDOI：CNKI：11-1929／V201107120904001基金项目：国家自然科学基金(50775188)*通讯作者Tel：029—88460353E．mail：mabh@nwpuedu．ca用格式；-5炳和，傅博，李建强．等．溅射一电镀微成型钢造柔性热摸传感器阵列J航空学报．20I1．32(1

7、1)：2147-2152MaBinghe，FuBe，LiJianqiang，etalFlexiblehot-filmsensorarrayfabricatedwithsputtering-electroplatingmicromachininqJ]ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2011．32(I1)．2147-2152航空学报Nov．252011VoI．32No．11许多金属热敏电阻在温度T下(100℃以内可线本文提出的溅射一电镀微成型工艺的柔性热性化，忽

8、略高次项的影响)的阻值为口膜传感器阵列新结构如图2所示。热敏薄膜层直接沉积在旋涂固化后的聚酰亚胺薄膜衬底上，不R—R0[1+a(T一)](1)但形成热敏元件区，而且延续布满全部引线区底式中：R。为温度为T0时的阻值；a为电阻温度系层。铜引线是通过之后的电镀及剥离工艺成型。数；T。为初始温度。测量壁面剪应力也是基于热敏元件阻值随自身温度升高而增加的原理，根据能量平衡，有如下经验公式l_1]：U／R一△T[A(fDr)／。+B](2)式中：B为基底传导热损失；A为强制对流引起的热损失，