基于聚酰亚胺衬底的柔性mems技术及在传感器中的应用研究

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1、------------------------------------------------------------------------------------------------基于聚酰亚胺衬底的柔性MEMS技术及在传感器中的应用研究分类号密级UDC编号中国科学院研究生院博士学位论文基于聚酰亚胺衬底的柔性MEMS技术及在传感器中的应用研究肖素艳指导老师李昕欣研究员车录锋研究员申请学位级别博士学科专业名称微电子学与固体电子学论文提交日期2007年11月论文答辩日期2007年12月24日培养单位中国

2、科学院上海微系统与信息技术研究所学位授予单位中国科学院研究生院答辩委员会主席ADissertationSubmittedtoChineseAcademyofSciencefortheDegreeofDoctorAPolyimide-basedFlexibleMEMSTechnology——————————————————————————————————————----------------------------------------------------------------------------

3、--------------------anditsApplicationsinSensorsBy:SuyanXiaoDirectedby:Prof.XinxinLi&Prof.LufengCheShanghaiInstituteofMicrosystemsandInformationTechnology,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200050,P.R.China基于聚酰亚胺衬底的柔性MEMS技术及其在传感器中的应用研究基于聚酰亚胺衬底的柔性MEMS技术及在传感

4、器中的应用研究肖素艳（微电子学与固体电子学）指导老师：李昕欣研究员车录锋研究员摘要传统的MEMS器件大多制作在硅、玻璃等刚性衬底上，然而在实际应用中，对可挠性好、能贴附在任意曲面或不规则物体表面的类皮肤型器件的需求日益增多。因此，研究人员提出将MEMS器件制作在柔性衬底上以实现各种非平面物体表面物理量的实时探测。聚酰亚胺(PI)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)因具有独特的物理和化学性能，是制造柔性MEMS器件的理想材料。因此，对PI和PDMS在柔性MEMS应用中的关键技术的研究具有重要的现实意义。本文首先分别对P

5、I和PDMS预聚物在MEMS应用中的关键技术进行了研究，包括液态预聚物的涂覆、固化、表面活化处理、干法刻蚀和湿法刻蚀。在此基础上，分别在PI柔性衬底上成功研制出柔性——————————————————————————————————————------------------------------------------------------------------------------------------------MEMS铂薄膜温度传感器和柔性电容式触觉力传感器。研究中取得的成果如下：(1)PI

6、柔性薄膜的制备：采用重叠涂覆液态PI预聚物、变温预固化、并结合热板和烘箱，对液态PI预聚物涂层实现了“由里及表”的阶梯式的理想热固化方式，最后形成了具有优异的机械性能、良好的厚度均匀性和表面性能的PI柔性薄膜。(2)非光敏PI的湿法腐蚀和干法刻蚀研究：湿法腐蚀PI时，以正性光刻胶为掩模，曝光时间增加到光刻胶常规曝光时间的3倍，并采用25%的四甲基氢氧化铵(TMAH)与水的混合液进行腐蚀，实验得到当二者的体积比为1:7时，PI涂覆层的腐蚀厚度能达到30μm。采用STS干法刻蚀完全固化的PI，实验得到了PI比较理

7、想的刻蚀条件为：100%O2流速45sccm，上电极功率500W，压强为60mTorr，平均刻蚀速度约为0.590μm/min。(3)PDMS薄膜涂覆及厚度测量：用正己烷稀释PDMS(sylgard184)预聚物，采中国科学院上海微系统与信息技术研究所博士学位论文iAbstract用旋涂法，得到了小于10μm的各种不同厚度的PDMS薄膜；当分别用三种不同的方法测量PDMS薄膜的厚度时，实验表明，对相同的PDMS涂层试样，采用台阶仪测量时，其探针施加1mg————————————————————————————

8、——————————------------------------------------------------------------------------------------------------力时所测得的厚度与电子扫描显微镜测得的厚度相当，而且得到的PDMS薄膜的厚度与探针压力的关系为近似的双曲线；用光学轮廓仪测量时结果则偏小。(4)PDMS的湿法和干法刻蚀研究：湿法刻蚀采用甲基