陣列式高頻熱流信號(hào)薄膜傳感器制備工藝與參數(shù)研究*

董依依，衷洪杰

（中國(guó)航空工業(yè)空氣動(dòng)力研究院，沈陽(yáng) 110034）

從19世紀(jì)80年代Osborne Reynolds 的開創(chuàng)性工作起，由層流向湍流的轉(zhuǎn)捩現(xiàn)象一直是流體力學(xué)的研究熱點(diǎn)[1]。對(duì)于高速飛行器，轉(zhuǎn)捩直接影響總阻力與表面氣動(dòng)加熱。從3 種經(jīng)典流體力學(xué)研究手段來(lái)看，在數(shù)值分析方面，求解轉(zhuǎn)捩問題使用的湍流模型是經(jīng)驗(yàn)公式，無(wú)法解釋所有的現(xiàn)象；通過(guò)N–S 方程或線性穩(wěn)定性方程求解的計(jì)算量極大。相比于飛行試驗(yàn)，風(fēng)洞試驗(yàn)具有成本低、可重復(fù)、邊界層流動(dòng)信息測(cè)量精細(xì)的優(yōu)勢(shì)[2]，是研究高超聲速邊界層轉(zhuǎn)捩的重要手段。

高超聲速流場(chǎng)本質(zhì)是高度非均勻、非定常的復(fù)雜的三維流動(dòng)，存在流動(dòng)參數(shù)變化梯度很大的激波、滑流面、分離剪切層等[3]。隨著馬赫數(shù)增大到高超聲速，邊界層轉(zhuǎn)捩機(jī)制和影響因素變得更為復(fù)雜，相互作用尤為突出。其邊界層轉(zhuǎn)捩的預(yù)測(cè)和控制問題至今仍然沒有被很好地解決，邊界層轉(zhuǎn)捩仍然是制約高超聲速技術(shù)突破的基礎(chǔ)科學(xué)問題之一，是當(dāng)前國(guó)際學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)與難點(diǎn)[2]。其中傳感器的選擇會(huì)對(duì)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果造成巨大的影響，例如Craig 等[4]使用熱線風(fēng)速儀對(duì)Ward 等[5]的圓錐模型深入研究橫流駐波的二次失穩(wěn)測(cè)量試驗(yàn)時(shí)，由于熱線頻率響應(yīng)量程不同，他們不但沒有測(cè)量到原試驗(yàn)中的高頻信號(hào)，反而得到了兩個(gè)低頻信號(hào)，甚至沒有監(jiān)測(cè)到湍流和轉(zhuǎn)捩的出現(xiàn)。

由于傳統(tǒng)的表面熱線易被吹斷、紅外測(cè)量邊界層轉(zhuǎn)捩方法受相機(jī)幀率限制難以捕捉到高超聲速流場(chǎng)中的高頻信號(hào)，Ling 等[6]于1956年開始引入熱膜探頭作為湍流研究的工具。韓建[7]通過(guò)鉑膜電阻傳感器測(cè)量高超聲速風(fēng)洞中圓錐壁面瞬時(shí)熱流，但由于該類型傳感器普遍采用內(nèi)埋式，僅圓柱狀傳感器頂端受感部為薄膜構(gòu)型，在飛機(jī)模型加工時(shí)仍需打孔改造。當(dāng)前國(guó)內(nèi)應(yīng)用陣列式熱流信號(hào)傳感器測(cè)量邊界層轉(zhuǎn)捩的研究較少，故對(duì)此開展研究工作。柔性薄膜傳感器相比于傳統(tǒng)測(cè)壓、測(cè)熱傳感器而言，體積大大減小，可以方便地安裝在風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷谋砻妫瑢?duì)模型的流場(chǎng)干擾程度達(dá)到了最小。同時(shí)由于傳感器的探測(cè)端為薄膜，不受模型表面彎曲的影響。

本文針對(duì)陣列式高頻熱流信號(hào)柔性薄膜傳感器的前端制備開展初步工藝研究，并在掌握了相關(guān)工藝流程的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步確定相關(guān)材料和使用設(shè)備的最佳參數(shù)。

1 柔性薄膜傳感器主要材料的選擇

1.1 襯底材料的選擇及表面改性處理工藝

制備柔性薄膜傳感器需選擇合適的絕緣材料作為襯底。大多數(shù)高分子材料在外電場(chǎng)作用下，體電流很小，同時(shí)體電阻率很高（約1010～1020Ω·m），是良好的絕緣材料。其中聚酰亞胺（PI）是有機(jī)聚合物類絕緣材料，具有優(yōu)良的力學(xué)性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性以及很高的抗輻射、耐高/低溫性能（理論上可正常工作的溫度區(qū)間為– 269 ～ +400℃），能夠在250～280℃的空氣中長(zhǎng)期使用，適宜用作柔性印制電路板基材和各種耐高溫電機(jī)電器絕緣材料，相關(guān)參數(shù)詳見表1。在本文中擬使用厚度為0.06mm 的成品聚酰亞胺薄膜作為襯底材料。

表1 材料參數(shù)Table 1 Material parameter

聚酰亞胺材料也存在一些不利的特性，由于其表面疏水性基團(tuán)多、表面能低，導(dǎo)致其黏連性能欠佳，與膠黏劑、金屬的黏合性均較差，限制了該材料在柔性電路板等方面的進(jìn)一步應(yīng)用。例如直接使用勻膠、光刻工藝圖案化并進(jìn)行磁控濺射沉積金屬后，用去膠液清洗聚酰亞胺表面時(shí)會(huì)出現(xiàn)圖1所示的情況，圖案化的金屬薄膜在清洗過(guò)程中也會(huì)隨光刻膠一起剝離。

圖1 未進(jìn)行表面改性Fig.1 No surface modification

在優(yōu)化其黏連性能的過(guò)程中，曾采用5000#的砂紙對(duì)聚酰亞胺薄膜表面打磨，雖然可通過(guò)增加表面粗糙度實(shí)現(xiàn)圖案化的基礎(chǔ)要求，但測(cè)量銅引線時(shí)發(fā)現(xiàn)電阻阻值極大，等同于斷路，該種方法處理后的薄膜如圖2所示。

圖2 進(jìn)行砂紙打磨Fig.2 Sandpaper finish

使用掃描電子顯微鏡可以觀察到，砂紙打磨會(huì)在聚酰亞胺薄膜表面形成肉眼不可見的極細(xì)劃痕，如圖3（a）所示。導(dǎo)致薄膜表面凸凹不平，待濺射基底性能過(guò)低，進(jìn)而使濺射沉積時(shí)產(chǎn)生大量的微裂紋，如圖3（b）所示，最終導(dǎo)致電路斷路。

圖3 掃描電子顯微鏡觀測(cè)銅圖像Fig.3 Scanning electron microscope image of Cu

使用聚酰亞胺薄膜作為傳感器的柔性基底，仍需進(jìn)一步提高其表面的接觸特性，增加其黏連性[8–10]。聚酰亞胺薄膜的表面改性采用等離子體轟擊的方式[11–12]，空氣中的水、氧氣、氮?dú)獾入婋x或激發(fā)，形成粒子產(chǎn)物撞擊聚酰亞胺薄膜，引入了羥基、胺基等極性親水基團(tuán)，與薄膜表面的材料發(fā)生交聯(lián)。這樣不僅可以提高其親水性和表面能，還增加了刻蝕的粗糙度[13]。接觸角可衡量薄膜表面親水性，如圖4所示，其中θ即為接觸角。接觸角由薄膜的表面特性決定：接觸角越小，表明薄膜表面的親水性越強(qiáng)，表面能越大[14–16]。

圖4 接觸角Fig.4 Contact angle

對(duì)聚酰亞胺薄膜表面進(jìn)行等離子體轟擊處理后，在未處理與處理后的薄膜表面分別用滴管滴加一滴水，現(xiàn)象如圖5所示。從圖5（a）可以明顯觀察到未處理的薄膜上水滴圓潤(rùn)飽滿，接觸角較大，親水性不好；而處理后的薄膜，水滴扁平鋪開于薄膜表面，親水性明顯提高（圖5（b））。

圖5 等離子未處理與處理后效果Fig.5 Plasma untreated and treated effect

1.2 光刻膠的選擇

按照曝光后光刻膠是否可溶、得到的圖案與遮光區(qū)是否相同，可將光刻膠分為正膠和負(fù)膠兩種，正膠曝光可溶故得到的圖案與遮光區(qū)相同，負(fù)膠反之，顯影、曝光示意圖如圖6所示。考慮到試驗(yàn)需要的感光靈敏度較低，但需要較高的圖形分辨率、黏附性，且對(duì)曝光和顯影具有較大寬容度，因此該選擇RZJ–304（50CP）型正性光刻膠進(jìn)行光刻。

圖6 光刻正/負(fù)膠顯影和曝光示意圖Fig.6 Development and exposure of positive/negative photoresist in lithography

1.3 濺射金屬靶材的選擇

在選取受感部材料時(shí)，需要合適的金屬作為熱敏電阻材料，常見的金屬電阻特性如表2所示。可知，鎳的電阻溫度系數(shù)大于其他幾種材料，從而在相同溫度變化時(shí)可以獲得更大的電阻變化值，測(cè)試靈敏度更高。因此選擇金屬鎳作為柔性薄膜傳感器薄膜受感部的材料。

表2 5 種典型金屬的電阻率及溫度電阻系數(shù)Table 2 Resistivity and temperature resistance coefficient of five typical metals

考慮到銅的電阻率較小，溫度電阻系數(shù)較低，電阻值隨溫度變化不明顯，且造價(jià)相對(duì)較低，故可作為導(dǎo)線材料。

2 薄膜傳感器的制備

2.1 制備工藝

薄膜傳感器制備工藝的主要示意圖，如圖7所示。

圖7 薄膜傳感器制備工藝示意圖Fig.7 Schematic of film sensor fabrication

（1）首先，進(jìn)行勻膠、光刻工藝。將潔凈的聚酰亞胺薄膜放在勻膠機(jī)轉(zhuǎn)盤上，用滴管抽取約2mL 的光刻膠滴加于薄膜表面，先以900r/min 的低速旋轉(zhuǎn)15s，后以2500r/min 的高速旋轉(zhuǎn)40s。勻膠后，在105℃的烘箱中烘烤90s，完成光刻膠的旋涂。

在一個(gè)道德意識(shí)淺薄、公共意識(shí)低下的社會(huì)環(huán)境下，不可能營(yíng)造出高品位的會(huì)計(jì)人員職業(yè)道德。營(yíng)造良好的會(huì)計(jì)從業(yè)環(huán)境，不是僅靠會(huì)計(jì)業(yè)界的努力就能做到的，而是依托社會(huì)各方面的變革與協(xié)調(diào)，尤其是應(yīng)與法律、各行各業(yè)的職業(yè)道德同步，只有這樣才能做好會(huì)計(jì)人員職業(yè)道德建設(shè)。

（2）其次，將固化完畢的聚酰亞胺薄膜放在URE–2000/35A 型光刻機(jī)的承片臺(tái)上，將掩膜置于掩膜架，如圖8所示，使用紫外光曝光系統(tǒng)曝光，時(shí)間為10s，曝光過(guò)程如圖9所示。紫外曝光后，將樣片放入盛有ZX–238 顯影液的玻璃皿中顯影約30s。取出樣片后用純水清洗，此時(shí)掩膜圖案已經(jīng)定義在光刻膠圖形層上。

圖8 光刻位置示意圖Fig.8 Schematic of photolithography position

圖9 光刻曝光過(guò)程Fig.9 Photolithography exposure process

在用等離子體轟擊聚酰亞胺薄膜完成表面改性后，進(jìn)行磁控濺射工藝。磁控濺射原理如圖10 所示，Ar+在電場(chǎng)作用下加速飛向陰極靶，轟擊靶材發(fā)生濺射。濺射金屬材料時(shí)，將圖案化完成的聚酰亞胺薄膜放入Sputter100T 型磁控濺射鍍膜機(jī)中，選擇合適的參數(shù)進(jìn)行金屬原子的濺射沉積。

圖10 磁控濺射工作原理Fig.10 Principle of magnetron sputtering

濺射沉積的最關(guān)鍵的優(yōu)勢(shì)是它能夠控制最終的樣片性能。沉積后的微觀結(jié)構(gòu)是由沉積設(shè)備的型號(hào)和狀態(tài)、工藝參數(shù)、靶材基礎(chǔ)參數(shù)以及襯底狀態(tài)等多種因素共同決定。研究表明，對(duì)結(jié)果影響最大的可變參數(shù)是功率、壓力（受本底真空度和氣體流量共同影響）和時(shí)間。針對(duì)試驗(yàn)中使用的Sputter100T 型磁控濺射設(shè)備，由于功率與壓力存在固定比率關(guān)系，因此主要決定磁控濺射狀態(tài)的變量是濺射功率和時(shí)間。

（3）最后，使用專用去膠液浸泡去除光刻膠部分，同時(shí)剝離掉光刻膠層上附著的金屬鍍層，保留所需的圖案部分。將去膠后的聚酰亞胺薄膜放入去離子水中清洗后，放入烘箱中烘干。制備完成后對(duì)樣片編號(hào)，在適宜的環(huán)境中妥善保存。

柔性薄膜傳感器存在受感部與電路部分 （圖11），需兩次循環(huán)上述制備工藝，針對(duì)圖案化要求分別選擇不同的掩膜與金屬靶材，完成套刻。

圖11 柔性薄膜傳感器樣片F(xiàn)ig.11 Flexible film sensor sample

2.2 試驗(yàn)設(shè)置與結(jié)果分析

采用不同長(zhǎng)寬的線條開展了兩組試驗(yàn)，其中1 號(hào)試驗(yàn)的掩膜采用長(zhǎng)60mm、寬1.2mm 的線條陣列。線條兩端設(shè)計(jì)正方形觸點(diǎn)，便于后續(xù)的電阻值測(cè)試，而陣列化的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)電阻值多次測(cè)量，取平均值減小隨機(jī)誤差。在濺射沉積的試驗(yàn)中分別設(shè)置3 種濺射功率：40W、60W、80W，濺射時(shí)間分別為1000s、1200s、1500s 和1800s。在不同功率下，磁控濺射時(shí)間t1與薄膜陣列電阻值R1的關(guān)系如圖12 所示，其中電阻值均為千歐量級(jí)。

由圖12 可知，相同時(shí)間下，濺射功率越大阻值越小。即提高濺射功率，等離子體產(chǎn)生的電流密度會(huì)增加，增大靶材被轟擊概率，從而表現(xiàn)為功率增大，這樣濺射靶材的效率提高，阻值減小。同時(shí)，功率的提高也會(huì)使濺射出的靶材原子的動(dòng)能增加，從而提高沉積速率和襯底的溫度，在實(shí)際現(xiàn)象中表現(xiàn)為功率增大，結(jié)晶速度提高。

圖12 不同功率下磁控濺射時(shí)間與電阻的關(guān)系Fig.12 Relationship between magnetron sputtering time and resistance at different power

Sputter100T 設(shè)備的最高功率為500W，故在初期試驗(yàn)基礎(chǔ)上，將功率分別設(shè)置為200W、300W 和400W。對(duì)于該設(shè)備而言，400W 功率過(guò)高，易發(fā)生二次濺射，將已附著的靶材原子剝離于樣片，降低結(jié)晶速度。且設(shè)置400W 時(shí)會(huì)在沉積過(guò)程中多次出現(xiàn)射頻功率不穩(wěn)定的情況，亦會(huì)使襯底過(guò)熱。沉積后表面存在肉眼可見裂紋，用40 倍顯微鏡觀測(cè)到表面狀況如圖13 所示，故不宜設(shè)置400W 的濺射功率。

圖13 濺射功率400W 的表面狀態(tài)Fig.13 Surface state of 400W sputtering power

重新設(shè)置200W 和300W 的濺射功率，濺射時(shí)間設(shè)為1800s、2700s、3600s，得到與之對(duì)應(yīng)的阻值和標(biāo)準(zhǔn)差，如表3所示。

表3 靶材鎳分別在200W 和300W 功率下的不同濺射時(shí)間與阻值的關(guān)系Table 3 Different sputtering time and resistance of target Ni at 200W and 300W

阻值R2與濺射時(shí)間t2對(duì)應(yīng)的曲線圖如圖14 所示。由兩條曲線對(duì)比可知，隨時(shí)間的增加200W 的阻值變化劇烈且阻值的標(biāo)準(zhǔn)差過(guò)大、不穩(wěn)定。故要想得到表面質(zhì)量良好且阻值較小的薄膜傳感器陣列，300W 的濺射功率較為適合。

圖14 兩種功率下阻值與濺射時(shí)間的關(guān)系Fig.14 Relationship between resistance value and sputtering time at two kinds of power

通過(guò)掃描電子顯微鏡的測(cè)試，可得到表3中沉積金屬的厚度數(shù)據(jù)。由圖15 厚度h2與濺射時(shí)間t2對(duì)應(yīng)的曲線可知，相同時(shí)間條件下，濺射效率與結(jié)晶速度均隨功率增加而提高。

圖15 兩種功率下厚度與濺射時(shí)間的關(guān)系Fig.15 Relationship between thickness and sputtering time at two kinds of power

3 結(jié)論

本文從材料選擇入手，提出一套詳盡的流程化薄膜傳感器制備工藝，可實(shí)現(xiàn)陣列式高頻熱流信號(hào)傳感器的前端生產(chǎn)，并重點(diǎn)研究磁控濺射沉積工藝的影響因素及參數(shù)結(jié)果。針對(duì)聚酰亞胺表面黏連性能不佳的情況，采用等離子體表面改性工藝，改變其表面疏水情況，從而保證圖案符合預(yù)期，同時(shí)滿足信號(hào)傳輸測(cè)試需求。通過(guò)對(duì)磁控濺射沉積這一關(guān)鍵工藝進(jìn)行分析，探索了主要工藝參數(shù)—功率和時(shí)間對(duì)柔性薄膜傳感器阻值、表面狀態(tài)等性能的影響，確定300W 濺射功率是較為適宜的工作參數(shù)。在該功率下既可以保證薄膜傳感器表面質(zhì)量，又能減少磁控濺射時(shí)間。

后續(xù)試驗(yàn)中，擬從增加陣列布點(diǎn)或設(shè)計(jì)多層薄膜傳感器等方面入手，獲得更為緊湊的受感部，滿足陣列式高頻熱流信號(hào)傳感器豐富、詳實(shí)數(shù)據(jù)的測(cè)量需求，將其應(yīng)用于探究高超聲速三維邊界層轉(zhuǎn)捩問題。