聚酰亞胺柔性溫度傳感器的制作與性能測試*

何柳豐，竇文堃，劉軍山

（大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點實驗室，遼寧大連 116024）

0 引言

溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛的傳感器，以硅、玻璃等剛性材料為基底的溫度傳感器制作技術(shù)已經(jīng)非常成熟，但是隨著人們對智能皮膚[1-2]、可穿戴電子[3-4]等領(lǐng)域的關(guān)注，有關(guān)以柔性材料為基底的溫度傳感器的研究越來越多。聚酰亞胺（Polyimide，PI）具有良好的熱穩(wěn)定性、機械性能、化學(xué)性能、電性能和抗腐蝕性，并且在-240～260℃使用范圍內(nèi)具有良好的性能保持性，在柔性溫度傳感器中應(yīng)用廣泛[5]。2007年Xiao等[6]結(jié)合濺射、光刻和腐蝕的方法成功在液態(tài)固化后的PI薄膜上做出Pt薄膜溫度傳感器陣列；2016年Dankoco等[7]采用噴墨打印的方法直接在PI薄膜表面制作出Ag薄膜溫度傳感器。本文作者在75μm厚的PI薄膜上制作弓形與蛇形兩種結(jié)構(gòu)的溫度傳感器，每種結(jié)構(gòu)都分別采用厚度為100 nm的Cu薄膜與Pt薄膜作為熱敏電阻。采用紅外成像設(shè)備對PI基底的熱絕緣性進行測試，且對不同結(jié)構(gòu)、不同金屬材料的溫度傳感器的性能進行對比分析。

1 實驗部分

1.1 傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計

圖1 溫度傳感器結(jié)構(gòu)Fig.1 Temperature sensors structure.

該實驗采用厚度為75μm的PI薄膜（Kapton HN，Du-Pont，美國）作為柔性基底。本文作者設(shè)計兩種結(jié)構(gòu)，第一種結(jié)構(gòu)仿照Dankoco等[8]設(shè)計的弓形結(jié)構(gòu)（圖1(a)），線寬為600μm。第二種結(jié)構(gòu)仿照Choi等[9]設(shè)計的蛇形結(jié)構(gòu)（圖1(b)），線寬為300μm。

1.2 柔性溫度傳感器的制作

為方便制作，用Kapton膠帶將PI薄膜貼到硅片上，然后在PI薄膜表面制作溫度傳感器，最后將其從硅片上取下。

圖2 腐蝕工藝流程圖Fig.2 Schematic diagram ofetching process.

Cu薄膜溫度傳感器采用腐蝕工藝制作，如圖2所示，其工藝流程[10]如下：

（1）利用薄膜沉積設(shè)備（LAB18，Kurt J.Lesker，美國），在PI薄膜上濺射一層100 nm厚的Cu薄膜，濺射功率為300 W，時間6 min。

圖3 剝離工藝流程圖Fig.3 Schematic diagram oflift-offprocess.

（2）在Cu薄膜表面旋涂正性光刻膠（BP212，北京化學(xué)試劑研究所，北京），轉(zhuǎn)速2 600 r/min，時間30 s；將樣片放在85℃的熱板上前烘30 min；然后通過掩膜版對樣片進行紫外曝光，光強為4.2 mJ/cm2，曝光時間30 s；接著用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NaOH溶液顯影，在85℃的熱板上后烘30 min。

（3）用體積分?jǐn)?shù)為5%的HNO3腐蝕溶液腐蝕Cu薄膜；腐蝕完后對其進行二次全曝光；再用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NaOH溶液去除殘余的光刻膠，并用去離子水沖洗干凈。

Pt薄膜溫度傳感器采用剝離工藝制作，如圖3所示，其工藝流程[11]如下：

（1）首先在PI薄膜表面旋涂一層正性光刻膠，前烘，并對其進行紫外曝光；然后用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的NaOH溶液顯影得到想要的結(jié)構(gòu)圖形；最后對其進行全曝光。

（2）在其表面濺射100 nm厚的Pt薄膜，濺射功率300 W，時間10 min 30 s。

（3）濺射完后將PI薄膜放入丙酮溶液中浸泡約90 min，去除殘余的光刻膠，并用去離子水沖洗干凈。剝離過程中的具體工藝參數(shù)與腐蝕法的相同。

制作完后將PI薄膜從硅片上取下，傳感器的整體形貌如圖4所示。圖4(a)與(b)分別為Cu薄膜溫度傳感器的平面圖與彎曲圖，圖4(c)與(d)分別為Pt薄膜溫度傳感器的平面圖與彎曲圖。從圖中可以看出制作的柔性溫度傳感器具有很好的可彎曲性，可用于非平面物體表面的溫度測量。

圖4 聚酰亞胺柔性溫度傳感器Fig.4 PIflexible temperature sensors.

2 試驗測試與討論

2.1 紅外成像測試

溫度傳感器基底的熱絕緣能力是溫度傳感器的一個關(guān)鍵參數(shù)，在很大程度上影響傳感器的測試性能。采用紅外成像設(shè)備測試溫度傳感器在通電狀態(tài)下的熱分布，用不同選定區(qū)域之間的溫差來表征柔性PI基底的熱絕緣性。

在通電狀態(tài)下的柔性溫度傳感器的熱分布見圖5。測試過程中采用Pt薄膜溫度傳感器作為測試對象，室溫為25℃。在弓形結(jié)構(gòu)的傳感器上選擇4個區(qū)域，區(qū)域1和區(qū)域2在感應(yīng)區(qū)，區(qū)域3和區(qū)域4在非感應(yīng)區(qū)，如圖5(a)所示。在焊盤兩端施加0 V直流電壓，5 min后測得4個區(qū)域的溫度均為25℃；在焊盤兩端施加4 V直流電壓，5 min后測得區(qū)域1和區(qū)域2的溫度分別升高到50.1℃和50.3℃，而區(qū)域3和區(qū)域4的溫度則只有34.8℃和39.9℃，與區(qū)域1和2的溫差分別達到15.3℃和10.4℃（圖5(b)）。同理，在蛇形結(jié)構(gòu)的傳感器上選擇3個區(qū)域測量溫度，區(qū)域1在感應(yīng)區(qū)，區(qū)域2和區(qū)域3在非感應(yīng)區(qū)，如圖5(c)所示。在焊盤兩端施加0 V直流電壓，5 min后測得3個區(qū)域的溫度均為25℃；在焊盤兩端施加10 V直流電壓，5 min后測得區(qū)域1的溫度升高到51.5℃，區(qū)域2和區(qū)域3的溫度為30.5℃和34.9℃，與區(qū)域1的溫度差分別為21℃和16.6℃（圖5(d)）。由上述實驗可知，在通電狀態(tài)下傳感器的感應(yīng)區(qū)域和非感應(yīng)區(qū)域溫度差別較大，這表明PI基底具有良好的熱絕緣性，可以作為柔性溫度傳感器的基底。

2.2 傳感器的電阻溫度系數(shù)

柔性傳感器的電阻溫度系數(shù)（Temperature Coefficient of Resistance，TCR）可以通過下式計算[12]：

其中：αT指電阻溫度系數(shù)，Rt、Ri分別為溫度為t、i時的電阻，ΔT是溫度差。

式（1）可以表達為：

從式(3)中可知，溫度傳感器的電阻溫度系數(shù)可以通過測量其電阻阻值隨溫度變化的關(guān)系得出，因此將柔性溫度傳感器放入電熱鼓風(fēng)干燥箱（101-0AB型，天津市泰斯特儀器有限公司，中國）中，用導(dǎo)線將其與外部的高精度數(shù)字萬用表（Agilent34401A，Keysight Technologies，美國）連接，測量輸出電阻。溫度測量范圍為25～90℃，每次溫度增加2.5℃，當(dāng)溫度升高到人體溫度（35～42℃）時，溫度每次增加0.2℃。

在25～90℃的溫度測量范圍內(nèi)，弓形結(jié)構(gòu)的Cu薄膜溫度傳感器電阻隨溫度的變化曲線如圖6(a)所示，傳感器的電阻阻值由23.151Ω增大到27.207Ω，利用式(3)計算得出其TCR=0.002 70/℃，線性相關(guān)系數(shù)為0.977 28；蛇形結(jié)構(gòu)的Cu薄膜溫度傳感器電阻隨溫度變化的曲線如圖6(b)所示，其電阻明顯大于弓形結(jié)構(gòu)，由最初的249.892Ω增大到了271.950Ω，相應(yīng)的TCR=0.001 36/℃，線性相關(guān)系數(shù)為0.987 08。由于Pt的電阻率大于Cu的電阻率，因此同結(jié)構(gòu)的Pt薄膜溫度傳感器的電阻大于Cu薄膜溫度傳感器的電阻。弓形結(jié)構(gòu)的Pt薄膜溫度傳感器電阻在25℃時為81.788Ω，當(dāng)溫度升高到90℃時電阻增大到96.331Ω，相應(yīng)的TCR=0.002 73/℃，線性相關(guān)系數(shù)為0.998 35（圖6(c)）；蛇形結(jié)構(gòu)的Pt薄膜溫度傳感器的電阻阻值最大，在915.975～1 055.879Ω內(nèi)變化（圖6(d)），TCR=0.002 35/℃，線性相關(guān)系數(shù)為0.99933。本文作者研制的這4種柔性溫度傳感器的TCR值與之前報道的同類型溫度傳感器的TCR值[6，8]相當(dāng)，表明都具有良好的靈敏度。同時，這4種柔性溫度傳感器也都具有較好的線性度，其中蛇形結(jié)構(gòu)的Pt薄膜溫度傳感器的線性度最好。

圖5 通電狀態(tài)下傳感器的熱分布圖Fig.5 Thermaldistribution images ofsensors under directcurrents.

圖6 溫度傳感器電阻隨溫度變化曲線Fig.6 Resistance versus temperature curves oftemperature sensors.

3 結(jié)論

本文作者基于MEMS技術(shù)，在厚度為75μm的PI薄膜上制作出弓形和蛇形兩種不同結(jié)構(gòu)的銅薄膜和鉑薄膜柔性溫度傳感器。利用紅外成像設(shè)備測試，表明PI基底具有很好的熱絕緣性。對不同結(jié)構(gòu)和不同金屬材料的溫度傳感器的性能進行測試分析，表明設(shè)計制作的4種溫度傳感器均具有較好的靈敏度和線性度，其中蛇形結(jié)構(gòu)的鉑薄膜溫度傳感器的線性度最高，達到0.999 33。該類型傳感器具有良好的柔韌性，未來可以用于各種非平面物體表面的溫度測量。