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CN106596657B - 嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器及其制备方法 - Google Patents

嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器及其制备方法。该嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器包括柔性基体，柔性基体的表面为沟槽阵列；沟槽阵列的凹槽中依次沉积有过渡层、烧蚀层和保护层。其制备方法包括在柔性基体表面制备沟槽阵列的掩膜图形，在柔性基体表面制备沟槽阵列，依次沉积过渡层、烧蚀层、保护层。本发明的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器能同时测量绝热层烧蚀温度和烧蚀速率，具有测量精度高、可靠性好、抗环境干扰能力强、响应快速且易安装的优点，解决了现有技术中存在的精度和可靠性不能满足实际需要求，敏感元件线条易断裂、薄膜易脱落等问题，同时其制备方法具有工艺简单、成本低的优点，可实现薄膜烧蚀敏感元件的批量生产。

Description

嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于微加工技术领域，涉及一种嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器及其制备方法。
背景技术
绝热层主要应用于固体火箭发动机、再入大气飞行器等航天器的防热保护中，绝热层性能的好坏直接影响到发动机工作的可靠性，甚至影响到火箭发射的成败。
绝热层的工作环境十分恶劣，它要经受高温高压燃气的烧蚀和凝相颗粒的冲刷，严重时会导致内绝热层防护失效，发动机壳体烧穿，造成发动机失效。因此，绝热材料烧蚀性能检测的可靠性直接影响到固体火箭发动机结构可靠性，而传统的铺线式检测技术原理可行，精度和可靠性远远不能满足航天、航空高速飞行实际需求，新式的薄膜电阻阵列虽然在理论上可极大地提高测量精度，但在高温热流冲刷及安装过程中很容易造成薄膜脱落、线条断裂等情况，可靠性及精度也难以得到保证。现有技术中存在的问题有：（1）基片材料导热率普遍较大，不适用于耐烧蚀材料低导热率的要求（≤0.25 W/mK）；（2）敏感薄膜阵列沉积在基片表面，在高温热流冲刷及敏感元件安装过程中易造成线条断裂及薄膜脱落等，无法保证高可靠性。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能同时测量绝热层烧蚀温度和烧蚀速率，具有测量精度高、可靠性好、抗环境干扰能力强、响应快速且易安装的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：
一种嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器，所述嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器1包括柔性基体2，所述柔性基体2的表面为沟槽阵列；所述沟槽阵列的凹槽中依次沉积有过渡层4、烧蚀层5和保护层6。
上述的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器中，优选的，还包括引线焊盘7和槽孔8。
上述的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器中，优选的，所述柔性基体2为三元乙丙；所述柔性基体2的厚度为0.5mm～1mm。
上述的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器中，优选的，所述过渡层4为聚酰亚胺、FR4电路板基材；所述过渡层4的厚度为0.05μm～0.1μm。
上述的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器中，优选的，所述烧蚀层5为铂、金；所述烧蚀层5的厚度为2μm～3μm。
上述的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器中，优选的，所述保护层6为电介质材料；所述保护层6的厚度为0.1μm～0.2μm。
上述的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器中，优选的，所述电介质材料为Al2O3、氧化钽。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种上述的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）利用光刻掩膜技术在柔性基体表面制备沟槽阵列的掩膜图形；
（2）利用反应离子束刻蚀技术对步骤（1）中得到的表面制备有沟槽阵列的掩膜图形的柔性基体进行刻蚀，使柔性基体表面形成沟槽阵列；
（3）利用离子束溅射技术在步骤（2）中得到的柔性基体表面依次沉积过渡层、烧蚀层、保护层，得到嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器。
上述的制备方法中，优选的，所述步骤（1）中，所述光刻掩膜技术的工艺参数为：曝光时间130s～140s，显影时间35s～40s；所述掩膜图形为光刻胶；所述掩膜图形的厚度为3μm～4μm；
和/或，所述步骤（2）中，所述反应离子束刻蚀技术的工艺参数为：气体流量6sccm～7sccm，入射角度30°～35°，屏极350V～400V，离子束流40mA～45mA。
上述的制备方法中，优选的，所述步骤（3）中，所述过渡层沉积的工艺参数为：屏极300V～380V，离子束流38mA～50mA，入射角度60°～70°，气体流量8sccm～10sccm；
和/或，所述烧蚀层沉积的工艺参数为：屏极500V～520V，离子束流80mA～85mA，入射角度60°～65°，气体流量8sccm～8.5sccm；
和/或，所述保护层沉积的工艺参数为：屏极350V～370V，离子束流42mA～45mA，入射角度60°～65°，气体流量5sccm～6sccm。
本发明的关键创新点为：
1、本发明利用反应离子束刻蚀制备沟槽阵列，其中反应离子束刻蚀可以针对特定材料进行去除，能够克服现有离子束刻蚀单纯依靠能量轰击造成的材料表面损伤大等问题，具有对材料表面损伤小，刻蚀速率快等优点。
2、本发明基于嵌入式薄膜溅射原理消除了颗粒冲刷及碰撞等外力造成的线条断裂，从源头上保证了可靠性。
3、本发明采用柔性基体，可实现异形曲面的高精度烧蚀量测量，并可随意紧密贴装，解决了敏感元件安装困难的难题。
本发明的目的是从原理和实际应用等方面解决可靠性、测量精度及敏感元件安装问题，可以不受外界恶劣环境干扰，杜绝之前仅从原理设计入手，忽略烧蚀测量真正的可靠性问题。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明提供了一种嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器，将过渡层、烧蚀层和保护层依次沉积在柔性基体表面沟槽阵列的凹槽中，由此得到的嵌入式薄膜烧蚀敏感芯体，既可实现对绝热层烧蚀温度和烧蚀速率的同时测量，又可以极大地提高烧蚀高精度测量的可靠性，具有测量精度高、可靠性好的优点；同时，由于电阻线条嵌入到沟槽阵列中，电阻线条不会因碰撞或冲刷造成断裂，避免了颗粒冲刷造成的信号误采集，从而有效的保证了可靠性和精度，具有良好的抗环境干扰能力及可靠性水平。
2、本发明的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器，由于基底为柔性材料，其不受测量空间的限制，可以实现随意紧密贴装，从而解决了烧蚀传感器安装困难（该问题一直困扰着本领领域的技术人员）的难题，有利于薄膜式烧蚀敏感元件的应用推广，能够用于解决现有的航空航天复杂结构曲面烧蚀测量难题。
3、本发明还提供了一种嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器的制备方法，采用反应离子束刻蚀技术、离子束溅射淀积技术、光刻掩膜技术等微机械加工技术，有利于提高加工工艺的一致性和敏感元件工作的可靠性水平，并可实现薄膜烧蚀敏感元件的批量生产，有效降低制造成本。
附图说明
图1为本发明实施例1中嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器的示意图。
图2为本发明实施例1中嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器的制备工艺流程图。
图例说明：
1、嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器；2、柔性基体；3、掩膜；4、过渡层；5、烧蚀层；6、保护层；7、引线焊盘；8、槽孔。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
以下实施例中所采用的材料和仪器均为市售。
实施例1
一种本发明的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器，如图1所示，该嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器1包括柔性基体2，柔性基体2的表面为沟槽阵列；沟槽阵列的凹槽中依次沉积有过渡层4、烧蚀层5和保护层6。
本实施例中，柔性基体2为三元乙丙（EPDM），其尺寸为30mm×50mm，厚度0.5mm；过渡层4为聚酰亚胺（PI），厚度为0.05μm；烧蚀层5为铂，厚度为3μm；保护层6为Al2O3，厚度为0.1μm。
本实施例中，还包括引线焊盘7和槽孔8，其中引线焊盘7是为了后期的数据采集，槽孔8为沟槽的横截面，是为了后期引线。
将嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器1埋设于绝热层内，实现对待测材料的烧蚀过程中烧蚀量及烧蚀速率的测量。
一种上述本实施例的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器的制备方法，工艺流程参见图2，包括以下步骤：
（a）清洗柔性基体：清洗柔性基体2，去除柔性基体表面的油污与杂质。
（b）制备掩膜：采用光刻掩膜技术在步骤（a）中经清洗后的柔性基体表面制备掩膜3，其中该掩膜3为光刻胶，厚度为3μm。
（c）光刻Ⅰ：利用光刻掩膜技术在步骤（b）形成的掩膜3上制成沟槽阵列的掩膜图形（掩膜图形的厚度为3μm），其中曝光时间为130s，显影时间为40s。
（d）反应离子束刻蚀：利用反应离子束刻蚀技术对步骤（c）中表面制备有沟槽阵列掩膜图形的柔性基体进行刻蚀，采用正庚烷刻蚀使柔性基体表面形成沟槽阵列。反应离子束刻蚀技术的工艺参数为：气体流量6sccm，入射角度30°，屏极370V，离子束流40mA。
（e）去胶清洗Ⅰ：对步骤（d）中得到的表面为沟槽阵列的柔性基体进行去胶清洗处理，去除柔性基体表面的掩膜3。
（f）光刻Ⅱ：利用光刻掩膜技术在步骤（e）中经去胶清洗后的柔性基体表面制备掩膜3，其中该掩膜3为光刻胶，厚度为3μm；然后继续利用光刻掩膜技术除去凹槽中的掩膜3，其中曝光时间为130s，显影时间为40s。
（g）沉积过渡层：利用离子束溅射技术在步骤（f）得到的柔性基体表面沉积过渡层4，其中离子束溅射技术的工艺参数为：屏极350V，离子束流45mA，入射角度65°，气体流量9sccm。
（h）沉积烧蚀层：利用离子束溅射技术在步骤（g）得到的柔性基体的过渡层4上沉积烧蚀层5，其中离子束溅射技术的工艺参数为：屏极500V，离子束流80mA，入射角度60°，气体流量8sccm。
（i）去胶清洗Ⅱ：对步骤（h）中得到的表面沉积有过渡层4和烧蚀层5的柔性基体进行去胶清洗处理，去除柔性基体表面的掩膜3，然后在120℃下烘30min。
（j）光刻Ⅲ：在步骤（i）中经烘干后的柔性基体表面制备掩膜3，厚度为3μm；然后继续利用光刻掩膜技术除去凹槽中的掩膜3，其中曝光时间为130s，显影时间为40s。
（k）沉积保护层：利用离子束溅射技术在步骤（j）中得到的柔性基体表面沉积保护层6，其中离子束溅射技术的工艺参数为：屏极360V，离子束流45mA，入射角度65°，气体流量6sccm。
（l）去胶清洗Ⅲ：对步骤（k）中得到的表面沉积有保护层6的柔性基体进行去胶清洗处理，去除柔性基体表面的掩膜3，然后在80℃下烘15min，得到嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器。
本发明制备的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器，能同时测量绝热层烧蚀温度和烧蚀速率，具有测量精度高、可靠性好、抗环境干扰能力强、响应快速且易安装等优点。同时，由于电阻线条嵌入到沟槽阵列中，电阻线条不会因碰撞或冲刷造成断裂，避免了颗粒冲刷造成的信号误采集，从而有效的保证了可靠性和精度，具有良好的抗环境干扰能力及可靠性水平。另外，本发明的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器，由于基底为柔性材料，其不受测量空间的限制，可以实现随意紧密贴装，从而解决了烧蚀传感器安装困难（该问题一直困扰着本领领域的技术人员）的难题，有利于薄膜式烧蚀敏感元件的应用推广，能够用于解决现有的航空航天复杂结构曲面烧蚀测量难题。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器，其特征在于，所述嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器（1）包括柔性基体（2），所述柔性基体（2）的表面为沟槽阵列；所述沟槽阵列的凹槽中依次沉积有过渡层（4）、烧蚀层（5）和保护层（6）；所述柔性基体（2）为三元乙丙；所述过渡层（4）为聚酰亚胺或FR4电路板基材；所述烧蚀层（5）为铂；所述保护层（6）为电介质材料；所述电介质材料为Al2O3或氧化钽；所述柔性基体（2）的厚度为0.5mm～1mm；所述过渡层（4）的厚度为0.05μm～0.1μm；所述烧蚀层（5）的厚度为2μm～3μm；所述保护层（6）的厚度为0.1μm～0.2μm。
2.根据权利要求1所述的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器，其特征在于，还包括引线焊盘（7）和槽孔（8）。
3.一种如权利要求1或2所述的嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）利用光刻掩膜技术在柔性基体表面制备沟槽阵列的掩膜图形；
（2）利用反应离子束刻蚀技术对步骤（1）中得到的表面制备有沟槽阵列的掩膜图形的柔性基体进行刻蚀，使柔性基体表面形成沟槽阵列；
（3）利用离子束溅射技术在步骤（2）中得到的柔性基体表面依次沉积过渡层、烧蚀层、保护层，得到嵌入式柔性基体薄膜烧蚀传感器。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述光刻掩膜技术的工艺参数为：曝光时间130s～140s，显影时间35s～40s；所述掩膜图形为光刻胶；所述掩膜图形的厚度为3μm～4μm；
和/或，所述步骤（2）中，所述反应离子束刻蚀技术的工艺参数为：气体流量6sccm～7sccm，入射角度30°～35°，屏极350V～400V，离子束流40mA～45mA。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述过渡层沉积的工艺参数为：屏极300V～380V，离子束流38mA～50mA，入射角度60°～70°，气体流量8sccm～10sccm；
和/或，所述烧蚀层沉积的工艺参数为：屏极500V～520V，离子束流80mA～85mA，入射角度60°～65°，气体流量8sccm～8.5sccm；
和/或，所述保护层沉积的工艺参数为：屏极350V～370V，离子束流42mA～45mA，入射角度60°～65°，气体流量5sccm～6sccm。
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