一种柔性光学传感器的制作方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性光学传感器的制作方法，步骤为：①光刻成形；②热熔；③离子刻蚀；④淀积保护层；⑤在正面淀积一层Ｃｒ或Ａｌ金属，光刻、刻蚀出金属图形，接着，在金属层上旋转涂覆聚酰亚胺，再进行固化；⑥在背面深刻蚀硅，直至硅底减薄至６０－８０μｍ，形成硅岛结构，最后再涂覆聚酰亚胺，并固化，即得到所需的柔性光学传感器。本发明专利技术的关键在于采用曲面微透镜技术制作柔性光学传感器。这种技术所制作的微传感器兼具柔性和强度，且与硅工艺相兼容。本发明专利技术制作的光学传感器能同时测量目标距离和方位角、并具有自动绕行或跨越障碍物的能力，在智能微型探测系统、智能机器人视觉系统等方面有广泛的应用空间。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传感器制作
，具体涉及。
技术介绍
众所周知，在生物界各种传感器基本上都是柔性的，可以分布在各种曲面上，如人体的触觉传感器，一些昆虫的视觉传感器。在工业界，人们也研制了许多传感器，能够完成一定的功能，但这些传感器基本上都是在刚性衬底上制作，只能用在平面上，不能弯曲，与生物界的传感器相比，其应用受到了很大的局限。在实际应用中，许多情况下需要将微型传感器贴于非平面上，如人的手指、手臂、飞机的机翼和机器人的眼睛等，这就使得一种新型的传感器应运而生，该传感器基于柔性衬底，能够折叠或卷曲，容易粘附在任意非平面上，被称之为柔性传感器。由于结构的特殊，柔性传感器具有一般传感器更为广泛的应用前景，如在军事、生物医学和机器人等方面都迫切需要这种使用简单、封装方便的传感器。目前，仅有国外有些机构开展了这方面的研究工作，如UCLA和Caltech等大学研制了一种传感器，可以贴在无人驾驶飞机机翼上，用于测量温度、压力等参数。由于飞机机翼尖的形状为近似圆柱状，要求这种柔性传感器可以沿着180度的角度卷曲。这种传感器主要是在柔性衬底，如塑料、聚合物上加工而成的。在国内，也有少数人开展了一些研究，但主要的研究方向是在柔性衬底上淀积一些膜层，没有制作出真正的柔性传感器。
技术实现思路
本专利技术目的在于提供一种仿生柔性光学传感器的制作方法。该方法所制作的光学传感器兼具较好的柔性和强度，不仅体积微型化，而且适合于大批量生产。本专利技术提供的，其步骤为(1).光刻成形选用双面抛光的硅片作为基片，清洗后烘干，采用旋涂法涂正性光刻胶，前烘、曝光、显影后，用去离子水清洗，坚膜，使胶膜受热后聚合，形成立方体状浮雕结构；(2).热熔将样片放入退火炉内恒温区的中部进行退火处理，退火腔内充入氩气，并使热熔温度与光刻胶的软化温度之差小于等于20℃；(3).离子刻蚀采用反应离子刻蚀机或离子束刻蚀机，对热熔后的基片进行刻蚀，将光刻胶图形转移到衬底上；(4).淀积保护层在硅衬底背面淀积一层氮化硅作为保护层；双面对准光刻，露出要刻蚀的Si；(5).在正面淀积一层Cr或Al金属，光刻、刻蚀出金属图形，接着，在金属层上旋转涂覆聚酰亚胺，再进行固化；(6).在背面深刻蚀硅，直至硅底减薄至60-80μm，形成硅岛结构，最后再涂覆聚酰亚胺，并固化，即得到所需的柔性光学传感器。本专利技术的关键在于采用曲面微透镜技术制作柔性光学传感器。这种曲面光学传感器具有视觉系统微型化(体积小)、数量大(由成千上万个微透镜组成)特点。这种技术所制作的微传感器既具有一定的柔性，又具有一定的强度，而且与传统的硅工艺相兼容。与直接制作在塑料，聚合物等衬底上的传感器相比，可以耐受加工时的高温条件，光学传感器的性能也更加可靠。利用微光学技术制作这种仿生柔性光学传感器，不仅体积微型化，而且还可大批量重复生产。本专利技术制作的光学传感器能同时测量目标距离和方位角、并具有自动绕行或跨越障碍物的能力，在智能微型探测系统、智能机器人视觉系统等方面有广泛的应用空间。附图说明图1为平面微透镜阵列的制作工艺流程 A旋涂光刻胶，B紫外曝光，C显影，D热熔光刻胶，E1刻蚀，E2微透镜形成；图2为热熔工艺的温度变化曲线；图3为实例1平面微透镜台阶扫描曲线；图4为实例2平面微透镜台阶扫描曲线；图5为实例1中柔性的微透镜阵列；图6为实例2中柔性的微透镜阵列。具体实施例方式实例1本专利技术首先在硅刚性衬底的正面制作光学传感器阵列，利用深刻蚀技术在硅衬底背面上形成大面积分布的硅岛阵列，并在背面涂覆一层柔性材料。每个硅岛作为支撑单个光学传感器的结构，这样，便由成千上万个硅岛构成了整个传感器系统。整个传感器的具体制作工艺过程如图1所示，详述如下1.选用双面抛光的硅片作为基片，其厚度为350μm。经超声清洗后，在恒温温度为140℃的烘箱中烘干。使用的正性光刻胶AZ1500，采用旋涂法涂胶。试验中采用的甩胶转速为4000rpm，甩胶时间为35秒，将涂完胶的基片放在85℃烘箱中前烘25分钟，使胶膜干燥并能同基片更紧密接触，如图1(A)所示。基片的曝光时间为90秒左右。曝光完成后，显影时间80秒，显影完后用去离子水清洗。然后将显影后的基片放入高温90℃烘箱中坚膜30分钟左右，使胶膜受热后进一步聚合，以增强抗蚀能力。光刻胶层最后成为了立方体状浮雕结构，如图1(B)和(C)所示。2.热熔为了形成近似的球面形状，进行热熔工艺，如图1(D)所示。这一工艺过程是在退火炉中进行的。退火时样片须放在退火炉内恒温区的中央，以保证加热温度的稳定。退火炉为半封闭式结构，其退火腔内充入气流量为6ml/s的保护气体Ar气，防止光刻胶氧化。热熔温度不能高于光刻胶的软化温度太多，否则光刻胶极易在高温下分解，由于AZ1500光刻胶的熔点在180℃左右，试验中所采用的热熔温度为190℃。退火温度变化曲线如图2所示，其中降温过程是自然冷却过程。3.反应离子刻蚀(RIE)采用ME-3A型反应离子刻蚀机将光刻胶图形转移到衬底上，如图1(E)所示。在以AZ1500光刻胶为掩蔽层刻蚀硅的情况下，采用见表1所示的刻蚀工艺参数，对硅和光刻胶可以获得满意的刻蚀速度和刻蚀比。刻蚀后的微透镜台阶测试曲线如图3所示。4.接着在硅衬底背面淀积一层300nm厚的氮化硅(Si3N4)作为保护层；双面对准光刻，露出要刻蚀的Si。5.在正面淀积一层金属Cr，光刻、刻蚀出Cr图形，接着，在Cr层上旋转涂覆聚酰亚胺(ZKPI-305 Polyimide)，固化(150°保持30分种，250°保持30分钟，350°保持1小时，然后自然冷却)。6.在背面深刻蚀硅，减薄至60μm，形成硅岛结构，最后再涂覆聚酰亚胺，并固化，形成整个柔性微透镜阵列结构，如图5所示。从图5可以看出，卷曲之后的透镜视场角明显增大。表1磁增强反应离子刻蚀参数表工作气体 CHF3O2气体流速 22sccm 1sccm刻蚀速率 75nm/min(硅)73nm/min(光刻胶)刻蚀比1∶0.97射频功率 30W实例21.选用双面抛光的硅片作为基片，其厚度为400μm。经超声清洗后，在恒温温度为140℃的烘箱中烘干。使用的正性光刻胶AZ5214，采用旋涂法涂胶。试验中采用的甩胶转速为3000rpm，甩胶时间为30秒，如图1(A)所示，将涂完胶的基片放在112℃热板上前烘90秒。基片的曝光时间为2分钟左右。曝光完成后，显影时间60秒，显影完后用去离子水清洗。然后将显影后的基片放入温度100℃的热板上坚膜3分钟左右，使胶膜受热后进一步聚合，以增强抗蚀能力。光刻胶层最后成为了立方体状浮雕结构，如图1(B)和(C)所示。2.热熔为了形成近似的球面形状，进行热熔工艺，如图1(D)所示。这一工艺过程是在退火炉中进行的。退火时样片须放在退火炉内恒温区的中央，以保证加热温度的稳定。退火炉为半封闭式结构，其退火腔内充入气流量为6ml/s的保护气体Ar气，防止光刻胶氧化。热熔温度不能高于光刻胶的软化温度太多，否则光刻胶极易在高温下分解，由于AZ5214光刻胶的熔点也在180℃左右，试验中所采用的热熔温度为190℃。退火温度变化曲线如图2所示，其中降温过程是自然冷却过程。3.离子束刻蚀(IBE)采用LD-3型离子刻蚀机将光刻胶图形转移到衬底上，本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性光学传感器的制作方法，其步骤包括：（１）．光刻成形：选用双面抛光的硅片作为基片，清洗后烘干，采用旋涂法涂正性光刻胶，前烘、曝光、显影后，用去离子水清洗，坚膜，使胶膜受热后聚合，形成立方体状浮雕结构；（２）．热熔：将样 片放入退火炉内恒温区的中部进行退火处理，退火腔内充入氩气，并使热熔温度与光刻胶的软化温度之差小于等于２０℃；（３）．离子刻蚀：采用反应离子刻蚀机或离子束刻蚀机，对热熔后的基片进行刻蚀，将光刻胶图形转移到衬底上；（４）．淀积保 护层：在硅衬底背面淀积一层氮化硅作为保护层；双面对准光刻，露出要刻蚀的Ｓｉ；（５）．在正面淀积一层Ｃｒ或Ａｌ金属，光刻、刻蚀出金属图形，接着，在金属层上旋转涂覆聚酰亚胺，再进行固化；（６）．在背面深刻蚀硅，直至硅底减薄至６０ －８０μｍ，形成硅岛结构，最后再涂覆聚酰亚胺，并固化，即得到所需的柔性光学传感器。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈四海，柯才军，周宏，向思桦，潘峰，赖建军，赵悦，易新建，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：83[中国|武汉]