聚酰亚胺柔性温度传感器的制作与性能测试

聚酰亚胺柔性温度传感器的制作与性能测试

何柳丰;窦文堃;刘军山

【摘 要】基于微机电系统技术,在柔性聚酰亚胺(PI)基底上分别制作弓形与蛇形两

种结构的铜薄膜与铂薄膜温度传感器.采用红外成像设备对传感器在通电状态下的

热分布进行测试,结果表明PI基底具有良好的热绝缘性.对不同结构、不同金属薄膜

的传感器性能进行对比分析,在25～90℃的温度测试范围内,4种温度传感器均具有

较好的灵敏度和线性度,其中蛇形结构的铂薄膜温度传感器的线性度最好,线性相关

系数达到了0.99933,其电阻温度系数为0.00235/℃.

【期刊名称】《机电工程技术》

【年(卷),期】2018(047)011

【总页数】5页(P5-8,80)

【关键词】聚酰亚胺(Polyimide,PI);温度传感器;铂薄膜;铜薄膜

【作 者】何柳丰;窦文堃;刘军山

【作者单位】大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁大连

116024;大连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁大连 116024;大

连理工大学辽宁省微纳米技术及系统重点实验室,辽宁大连 116024

【正文语种】中 文

【中图分类】TH811

0 引言

温度传感器是应用最广泛的传感器，以硅、玻璃等刚性材料为基底的温度传感器制

作技术已经非常成熟，但是随着人们对智能皮肤[1-2]、可穿戴电子[3-4]等领域的

关注，有关以柔性材料为基底的温度传感器的研究越来越多。聚酰亚胺

（Polyimide，PI）具有良好的热稳定性、机械性能、化学性能、电性能和抗腐蚀

性，并且在-240～260℃使用范围内具有良好的性能保持性，在柔性温度传感器中

应用广泛[5]。2007年Xiao等[6]结合溅射、光刻和腐蚀的方法成功在液态固化后

的PI薄膜上做出Pt薄膜温度传感器阵列；2016年Dankoco等[7]采用喷墨打印

的方法直接在PI薄膜表面制作出Ag薄膜温度传感器。本文作者在75μm厚的PI

薄膜上制作弓形与蛇形两种结构的温度传感器，每种结构都分别采用厚度为100

nm的Cu薄膜与Pt薄膜作为热敏电阻。采用红外成像设备对PI基底的热绝缘性

进行测试，且对不同结构、不同金属材料的温度传感器的性能进行对比分析。

1 实验部分

1.1 传感器的结构设计

图1 温度传感器结构Fig.1 Temperature sensors structure.

该实验采用厚度为75μm的PI薄膜（Kapton HN，Du-Pont，美国）作为柔性

基底。本文作者设计两种结构，第一种结构仿照Dankoco等[8]设计的弓形结构

（图1(a)），线宽为600μm。第二种结构仿照Choi等[9]设计的蛇形结构（图

1(b)），线宽为300μm。

1.2 柔性温度传感器的制作

为方便制作，用Kapton胶带将PI薄膜贴到硅片上，然后在PI薄膜表面制作温度

传感器，最后将其从硅片上取下。

图2 腐蚀工艺流程图Fig.2 Schematic diagram ofetching process.

Cu薄膜温度传感器采用腐蚀工艺制作，如图2所示，其工艺流程[10]如下：

（1）利用薄膜沉积设备（LAB18，Kurt ，美国），在PI薄膜上溅射一层

100 nm厚的Cu薄膜，溅射功率为300 W，时间6 min。

图3 剥离工艺流程图Fig.3 Schematic diagram oflift-offprocess.

（2）在Cu薄膜表面旋涂正性光刻胶（BP212，北京化学试剂研究所，北京），

转速2 600 r/min，时间30 s；将样片放在85℃的热板上前烘30 min；然后通过

掩膜版对样片进行紫外曝光，光强为4.2 mJ/cm2，曝光时间30 s；接着用质量分

数为0.5%的NaOH溶液显影，在85℃的热板上后烘30 min。

（3）用体积分数为5%的HNO3腐蚀溶液腐蚀Cu薄膜；腐蚀完后对其进行二次

全曝光；再用质量分数为0.5%的NaOH溶液去除残余的光刻胶，并用去离子水

冲洗干净。

Pt薄膜温度传感器采用剥离工艺制作，如图3所示，其工艺流程[11]如下：

（1）首先在PI薄膜表面旋涂一层正性光刻胶，前烘，并对其进行紫外曝光；然后

用质量分数为0.5%的NaOH溶液显影得到想要的结构图形；最后对其进行全曝

光。

（2）在其表面溅射100 nm厚的Pt薄膜，溅射功率300 W，时间10 min 30 s。

（3）溅射完后将PI薄膜放入丙酮溶液中浸泡约90 min，去除残余的光刻胶，并

用去离子水冲洗干净。剥离过程中的具体工艺参数与腐蚀法的相同。

制作完后将PI薄膜从硅片上取下，传感器的整体形貌如图4所示。图4(a)与(b)分

别为Cu薄膜温度传感器的平面图与弯曲图，图4(c)与(d)分别为Pt薄膜温度传感

器的平面图与弯曲图。从图中可以看出制作的柔性温度传感器具有很好的可弯曲性，

可用于非平面物体表面的温度测量。

图4 聚酰亚胺柔性温度传感器Fig.4 PIflexible temperature sensors.

2 试验测试与讨论

2.1 红外成像测试

温度传感器基底的热绝缘能力是温度传感器的一个关键参数，在很大程度上影响传

感器的测试性能。采用红外成像设备测试温度传感器在通电状态下的热分布，用不

同选定区域之间的温差来表征柔性PI基底的热绝缘性。

在通电状态下的柔性温度传感器的热分布见图5。测试过程中采用Pt薄膜温度传

感器作为测试对象，室温为25℃。在弓形结构的传感器上选择4个区域，区域1

和区域2在感应区，区域3和区域4在非感应区，如图5(a)所示。在焊盘两端施

加0 V直流电压，5 min后测得4个区域的温度均为25℃；在焊盘两端施加4 V

直流电压，5 min后测得区域1和区域2的温度分别升高到50.1℃和50.3℃，而

区域3和区域4的温度则只有34.8℃和39.9℃，与区域1和2的温差分别达到

15.3℃和10.4℃（图5(b)）。同理，在蛇形结构的传感器上选择3个区域测量温

度，区域1在感应区，区域2和区域3在非感应区，如图5(c)所示。在焊盘两端

施加0 V直流电压，5 min后测得3个区域的温度均为25℃；在焊盘两端施加10

V直流电压，5 min后测得区域1的温度升高到51.5℃，区域2和区域3的温度

为30.5℃和34.9℃，与区域1的温度差分别为21℃和16.6℃（图5(d)）。由上

述实验可知，在通电状态下传感器的感应区域和非感应区域温度差别较大，这表明

PI基底具有良好的热绝缘性，可以作为柔性温度传感器的基底。

2.2 传感器的电阻温度系数

柔性传感器的电阻温度系数（Temperature Coefficient of Resistance，TCR）

可以通过下式计算[12]：

其中：αT指电阻温度系数，Rt、Ri分别为温度为t、i时的电阻，ΔT是温度差。

式（1）可以表达为：

从式(3)中可知，温度传感器的电阻温度系数可以通过测量其电阻阻值随温度变化

的关系得出，因此将柔性温度传感器放入电热鼓风干燥箱（101-0AB型，天津市

泰斯特仪器有限公司，中国）中，用导线将其与外部的高精度数字万用表

（Agilent34401A，Keysight Technologies，美国）连接，测量输出电阻。温度

测量范围为25～90℃，每次温度增加2.5℃，当温度升高到人体温度（35～42℃）

时，温度每次增加0.2℃。

在25～90℃的温度测量范围内，弓形结构的Cu薄膜温度传感器电阻随温度的变

化曲线如图6(a)所示，传感器的电阻阻值由23.151Ω增大到27.207Ω，利用式(3)

计算得出其TCR=0.002 70/℃，线性相关系数为0.977 28；蛇形结构的Cu薄膜

温度传感器电阻随温度变化的曲线如图6(b)所示，其电阻明显大于弓形结构，由

最初的249.892Ω增大到了271.950Ω，相应的TCR=0.001 36/℃，线性相关系

数为0.987 08。由于Pt的电阻率大于Cu的电阻率，因此同结构的Pt薄膜温度

传感器的电阻大于Cu薄膜温度传感器的电阻。弓形结构的Pt薄膜温度传感器电

阻在25℃时为81.788Ω，当温度升高到90℃时电阻增大到96.331Ω，相应的

TCR=0.002 73/℃，线性相关系数为0.998 35（图6(c)）；蛇形结构的Pt薄膜温

度传感器的电阻阻值最大，在915.975～1 055.879Ω内变化（图6(d)），

TCR=0.002 35/℃，线性相关系数为0.99933。本文作者研制的这4种柔性温度

传感器的TCR值与之前报道的同类型温度传感器的TCR值[6，8]相当，表明都具

有良好的灵敏度。同时，这4种柔性温度传感器也都具有较好的线性度，其中蛇

形结构的Pt薄膜温度传感器的线性度最好。

图5 通电状态下传感器的热分布图Fig.5 Thermaldistribution images ofsensors

under directcurrents.

图6 温度传感器电阻随温度变化曲线Fig.6 Resistance versus temperature

curves oftemperature sensors.

3 结论

本文作者基于MEMS技术，在厚度为75μm的PI薄膜上制作出弓形和蛇形两种

不同结构的铜薄膜和铂薄膜柔性温度传感器。利用红外成像设备测试，表明PI基

底具有很好的热绝缘性。对不同结构和不同金属材料的温度传感器的性能进行测试

分析，表明设计制作的4种温度传感器均具有较好的灵敏度和线性度，其中蛇形

结构的铂薄膜温度传感器的线性度最高，达到0.999 33。该类型传感器具有良好

的柔韧性，未来可以用于各种非平面物体表面的温度测量。

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