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

（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）

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 J.Lesker，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。