基于MEMS工艺的曲面图形化转移及曲面传感器的研究

• 作 者: 吴凯峰
• 出 处: 上海交通大学
• 发表日期: 2004年期
• 关键词: MEMS技术 曲面图形化 干膜光刻 镍膜掩膜 薄膜热电偶

随着国产商业大飞机C919的成功下线,我国在航空发动机自主研发上迈向更高层次的技术水平。在航空发动机引擎运行中,需要监测和获取叶片的实时温度,即需要在曲面叶片上,制造薄膜热电偶传感器。传统传感器制作加工是在平面上进行的。所以,研究一种新型低成本、高精度的曲面图形化转移技术,并应用于制作曲面薄膜传感器上,从而监测和获取航空发动机表面温度,对推动国产航空发动机发展具有重大意义。在发动机叶片表面上制作温度传感器,要求薄膜金属沉积于曲面表面。目前,在航空发动机曲面叶片上进行曲面图形化转移是制作传感器需解决的难点。其主要挑战在于,不规则曲面上难以实现高精度大面积图形化转移。不同于以往成熟的微电子平面工艺,高精度曲面图形化转移技术需要突破柔性掩膜板制造,掩膜光学衍射失效,以及图形沉积释放等一系列难题。这就要求关注柔性掩膜的材料属性及制造工艺特点,对弹性掩模做出更全面的研究,并优化曝光显影的工艺参数。图形化工艺需要考虑曲面的三维不规则特点。本论文创造性地提出干膜软光刻曲面图形化工艺及镍膜遮挡式掩膜曲面图形化工艺,其镍材质弹性掩膜静态形态与曲面基板曲率一致,这也将有助于实现高精度曲面图形化转移。在航空发动机曲面叶片上监测表面实时温度的关键工作中,采用MEMS工艺分别研究干膜光刻掩膜工艺和镍膜遮挡式掩膜工艺,综合设计工艺流程,对工艺路线和工艺参数进行优化,从而制备了高精度的曲面高温薄膜热电偶。首先,对曲面曝光失真效应研究,通过MATLAB仿真分析在曲面上进行干膜光刻胶掩膜曝光显影。对曲面光学模型进行搭建和仿真,研究图形的失真效应。并对光刻胶厚度、掩膜和光刻胶间距、曲面不同入射角度等进行光学衍射分析。其次,研究干膜曲面光刻图形化,包括干膜基板贴覆研究,优化曝光显影工艺参数,使用lift-off工艺的金属溅射沉积。分别采用27μm和75μm两种厚度的干膜,进行曲面图形化转移。另外,研究曲面遮挡式掩膜工艺流程并对曲面金属Ni膜图形化运用FPC紫外激光切割,对其工艺参数进行优化,使金属膜与曲面紧密贴合的同时,金属膜的图案高保真。为了优化lift-off工艺,提出了镍膜-干膜-基板的三层结构,可以提升微结构的深宽比的同时,提升图案的精度。值得一提的是,镍掩膜板可多次重复使用,大大降低了工艺成本。最后,结合上述曲面图形化工艺方案路径,在曲面叶片基板上制作Pt-Pt/Rh的R型薄膜热电偶。使用范围在20~850℃高温炉箱进行热电势-温度测试,通过失效实验,循环实验等测试实验,验证在曲面叶片上制作的热电偶薄膜温度传感器的性能及可靠性。