CN106153212A - 一种基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，包括：生成刻有叉指换能器以及位于叉指换能器左、右两侧的反射栅的分布图案的一次压印模板；使用一次压印模板采用分步重复压印方法在基片上连续印制，将该基片制作为具有多个与一次压印模板上的图案相同的二次压印模板；使用二次压印模版压印制作声表面波传感器。本发明的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，可以准确控制叉指换能器的生成，从而实现极高的测量精度与一致性，可以通过降低换能器叉指电阻来降低高频声表面波器件的***损耗，稳定的提升传感器品质因素Q值，具有极高的实用性，并且可以降低叉指换能器制作成本，无污染。

Description

一种基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法

技术领域

本发明涉及纳米压印技术领域，特别是指一种基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法。

背景技术

声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。由于压电晶体本身是换能介质，电声之间存在耦合，因此在传播声表面波的压电晶体表面可以制作电声换能器，使电能和声能互相转换，如图1A所示。当压电晶体基片上的换能器通过逆压电效应将输入的无线信号转变成声信号后，被左右两个周期性栅条反射形成谐振，该谐振器的谐振频率与温度有关，其谐振器频率的改变随温度的改变在一定范围内呈线性关系，如图1B所示。利用这种线性关系就可以通过获取声表面波的频率得到精确的被测温度。

无线无源温度测温***由声表面波(SAW)传感器和读写器(温度获取单元)组成。SAW传感器通过其材料特性获取温度的变化，并将温度的变化转换为谐振频率的变化。读写器由数字控制部分和射频收发信机组成，实现频率的扫频和微弱响应信号的检测。读写器产生射频信号经过天线发送出去，SAW温度传感器经过天线接收射频信号并将受温度影响的射频信号反射出来，再由读写器接收反射回来的信号经过放大、ADC采样和FPGA处理读取温度，从而实现无线温度数据采集。无源无线温度监测***如图2所示。

叉指换能器(IDT)是声表面波器件的核心部件，是一种电极相互交错的、能够激发和检测声表面波的声-电、电-声换能器。IDT激发声表面波的原理和电磁波的激发原理完全相似。IDT的一般结构如图3所示，31是叉指条，32是汇流条，其几何结构参数主要有叉指周期P、电极宽度a(30微米)、电极间隙b(30微米)、电极厚度h(2微米)、叉指孔径W(2.5微米)、叉指对数N(24)等。叉指换能器与左右反射栅是声表面波传感器的核心，直接影响传感器品质因素(Q值)，其传统工艺是光刻腐蚀技术，该技术存在频率响应范围过窄、***损耗过高、精度一致性难以控制等不足之处。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提出一种基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，通过二次压印模版压印制作声表面波传感器。

基于上述目的本发明提供一种基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，包括：生成刻有叉指换能器以及位于所述叉指换能器左、右两侧的反射栅的分布图案的一次压印模板；使用所述一次压印模板采用分步重复压印方法在基片上连续印制，将该基片制作为具有多个与所述一次压印模板上的图案相同的二次压印模板；使用所述二次压印模版压印制作声表面波传感器。

根据本发明的一个实施例，进一步的，所述采用分步重复压印方法中的压印方法包括：热压印方法、紫外固化压印方法、微接触压印方法。

根据本发明的一个实施例，进一步的，所述采用分步重复压印方法中的压印方法为热压印方法，具体包括：步骤1，在所述基片上均匀涂布一层热塑性高分子光刻胶，并将所述光刻胶加热到玻璃转化温度以上；步骤2，施加压力，将所述一次压印模板压入到已高温软化的光刻胶内，并维持高温、高压状态；经过预设的维持时间后，使热塑性高分子光刻胶填充到所述一次压印模板的纳米结构内；步骤3，待所述光刻胶冷却固化后，释放压力，将所述一次压印模板脱离所述基片；步骤4，平移所述一次压印模板，重复步骤2和3，在所述光刻胶上重复进行压印复制所述一次压印模板的图形；步骤5，对所述基片表面的带有压印图形的光刻胶进行反应离子刻蚀去除残留的底胶。

根据本发明的一个实施例，进一步的，在完成步骤5后进行步骤6，在带有光刻胶图形的所述基片的表面溅射一薄层金属膜；步骤7，采用剥离工艺去除所述基片表面的光刻胶以及其上面覆盖的金属膜，保留所述基片表面无光刻胶处覆盖的金属膜，生成所述二次压印模板。

根据本发明的一个实施例，进一步的，对所述二次压印模板表面采用烷基硅烷进行处理，在所述二次压印模板表面生成钝化层；所述烷基硅烷包括：CF3(CF2)6(CH2)2SiCl3等。

根据本发明的一个实施例，进一步的，以所述二次压印模板表面保留下来的金属膜作为掩膜进行反应离子刻蚀，使所述基片具有相移型分布的图案。

根据本发明的一个实施例，进一步的，采用所述二次压印模版压印制作所述叉指换能器以及位于所述叉指换能器左、右两侧的反射栅，印制材料采用金属网，使得所述叉指换能器的汇流条为50％金属覆盖率的网格状汇流条。

根据本发明的一个实施例，进一步的，所述二次压印模版的基片材质为石英晶片；所述叉指换能器的电极材料为铝、金或铜。

根据本发明的一个实施例，进一步的，在所述叉指换能器的叉指条、汇流条的表面敷设二氧化硅保护膜。

根据本发明的一个实施例，进一步的，利用电子束直写技术在一次模板上制作50-500个叉指换能器以及位于所述叉指换能器左、右两侧的反射栅的图案，生成所述一次压印模板。

本发明的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，利用纳米压印工艺在石英基底上印制叉指换能器与左右反射栅的方法制作声表面波传感器，印制材料采用50％金属覆盖率的网状汇流条，可以精确的控制叉指换能器条宽与***损耗，进而提高声表面波传感器一致性与品质因素，具有极高的实用性，制作成本低，无污染。

附图说明

图1A为现有技术中声表面波测温原理图；其中，1-反射栅、2-压电基片、3-换能器、4-天线、5-声表面波、6-反射栅；图1B为芯片谐振频率和温度变化关系示意图；

图2为现有技术中的无源无线温度监测***构成示意图；其中，21-读写器、22，23，24-SAW温度传感器；

图3为叉指换能器的结构示意图；

图4为根据本发明的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法的一个实施例的流程图；

图5A至图5E为根据本发明的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法的二次模板的制作示意图；其中，图5A为一次压印模板、图5B为一次压印模板通过分布多次压印生成的二次压印模板、图5C为对二次压印模板进行溅射金属处理、图5D为对二次压印模板进行剥离处理、图5E为生成最终的二次模板；

图6为根据本发明的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法的制作示意图；其中，51-一次压印模板、52-二次压印模板；

图7为采用50％金属覆盖率的网状汇流条的声表面波器件示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

纳米压印技术是纳米材料与印刷技术相结合的新兴交叉技术，利用最新的纳米功能传感材料，通过纳米印刷方式，并采用蒸镀旋涂温度处理等工艺，在陶瓷、塑料及橡胶等基底上印刷电子线路及器件，无需复杂的刻蚀工艺，具有工艺简单、无污染的特点。

该技术由美国普林斯顿大学华裔教授周郁(Stephen Chou)于1995年首次提出。通过将纳米结构模板放置在聚合物膜表面，在一定的温度、压力等条件下，使聚合物逐渐填充到纳米模板空腔中，待聚合物固化定型后，将模板与聚合物剥离，从而实现纳米结构转移的一种方法。与传统光刻原理不同，纳米压印是一种利用纳米压印模板进行结构转移的方法，在结构转移过程中，结构尺寸由模板尺寸决定，完全不受光波长的影响，也就不受光学波长衍射极限对构筑结构的限制，因此显示出超高分辨率、高产率、低成本等适合工业化应用的独特优点。纳米压印技术由于其广阔的应用前景，自诞生之日起，就引起了学术界及产业界的高度重视。

本发明的“左”、“右”、“上”、“下”等，为基于附图的方位进行描述，并没有其它特殊的含义。

图4为根据本发明的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法的一个实施例的流程图，如图4所示：

步骤101，生成刻有叉指换能器以及位于叉指换能器左、右两侧的反射栅的分布图案的一次压印模板。

步骤102，使用一次压印模板采用分步重复压印方法在基片上连续印制，将该基片制作为具有多个与一次压印模板上的图案相同的二次压印模板。

步骤103，使用二次压印模版压印制作声表面波传感器。使用二次压印模版压印制作声表面波传感器采用纳米压印技术，包括压印图形转移、后续的刻蚀结构转移等工序。

制作模板最常用的材料是石英和硅，用电子束直写技术可以在硅模板上得到10nm线宽，在石英模板上可以得到20nm线宽。而且石英是可透紫外线和可见光的，而硅不可以透紫外线和可见光。由于要应用分步式模压曝光(stepandflashimprintlithography,SFIL)S-FIL技术，故采用透光的石英作为模板材料。在一个实施例，利用电子束直写技术在一次模板上制作50-500个叉指换能器以及位于叉指换能器左、右两侧的反射栅的图案，生成一次压印模板。

采用分步重复压印方法中的压印方法包括：热压印方法、紫外固化压印方法、微接触压印方法等。例如，如图5A至5B所示，采用分步重复压印方法中的压印方法为热压印方法，具体包括：

步骤1，在基片上均匀涂布一层热塑性高分子光刻胶，并将光刻胶加热到玻璃转化温度以上，例如为135度。

步骤2，施加压力，将一次压印模板压入到已高温软化的光刻胶内，并维持高温、高压状态；经过预设的维持时间后，例如为5-10分钟，使热塑性高分子光刻胶填充到一次压印模板的纳米结构内。

步骤3，待光刻胶冷却固化后，释放压力，将一次压印模板脱离基片。

步骤4，平移一次压印模板，重复步骤2和3，在光刻胶上重复进行压印复制一次压印模板的图形。

步骤5，对基片表面的带有压印图形的光刻胶进行反应离子刻蚀去除残留的底胶。

步骤6，在带有光刻胶图形的基片的表面溅射一薄层金属膜。

步骤7，采用剥离工艺去除基片表面的光刻胶以及其上面覆盖的金属膜，保留基片表面无光刻胶处覆盖的金属膜，生成二次压印模板。重复上述步骤，可以生成多个二次压印模板，如图6所示。

上述实施例提供的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，在取得刻有少量图形的一次模版后，用分步重复热压印及剥离的方法取得二次凸型模版，然后采用二次凸型压印模版来压印制作叉指换能器。

在一个实施例中，对二次压印模板表面采用烷基硅烷进行处理，在二次压印模板表面生成钝化层，烷基硅烷包括：CF3(CF2)6(CH2)2SiCl3等。固化成型的聚合物能否完整脱模，取决于模板和聚合物表面自由能量。对模板表面进行处理，除了常规的清洗，还要进行硅烷化工艺，即采用烷基硅烷进行处理(如CF3(CF2)6(CH2)2SiCl3等)，在模板表面制作钝化层，使脱模容易并减少表面污垢。

在一个实施例中，以二次压印模板表面保留下来的金属膜作为掩膜进行反应离子刻蚀，使基片具有相移型分布的图案。采用二次压印模版压印制作叉指换能器以及位于叉指换能器左、右两侧的反射栅，印制材料采用金属网，使叉指换能器的汇流条为50％金属覆盖率的网格状汇流条，叉指换能器左、右两侧的反射栅也可以为50％金属覆盖率的网格状金属条。

纳米压印依赖于聚合物层的变形，尺寸大小不同聚合物层变形的程度也不一样，而声表面波器件的结构决定了叉指换能器亚微米级的指条和几百微米的汇流条是共存的，造成制作100％金属覆盖率的叉指换能器很容易产生压印失败。为消除尺寸差异，提出采用50％金属覆盖率的网状汇流条设计方案，如7所示。

在一个实施例中，二次压印模版的基片材质为石英晶片。叉指换能器的电极材料为铝、金或铜等。在叉指换能器的叉指条、汇流条的表面敷设二氧化硅保护膜，可以采用电子束蒸镀工艺，厚度可以根据需要设置，能够提高工作的可靠性，延长工作寿命。

上述实施例提供的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，利用纳米压印工艺在石英基底上印制叉指换能器与左右反射栅的方法制作声表面波传感器，在取得刻有少量图形的一次模版后，用分步重复热压印及剥离的方法取得二次凸型模版，然后采用二次凸型压印模版来压印制作叉指换能器与左右反射栅，印制材料采用50％金属覆盖率的网状汇流条，可以精确的控制叉指换能器条宽与***损耗，进而提高声表面波传感器一致性与品质因素。

上述实施例提供的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，具有至少一种以下优点：

1、采用纳米压印工艺可以将叉指换能器条宽控制的很准，从而实现极高的测量精度与一致性，还可以通过降低换能器叉指电阻来降低高频声表面波器件的***损耗，可以稳定的提升传感器Q值(非实验室性质)，具有极高的实用性。

2、采用纳米压印工艺可以降低叉指换能器制作成本，无污染。

所属领域的普通技术人员应当理解：以上仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，其特征在于，包括：

生成刻有叉指换能器以及位于所述叉指换能器左、右两侧的反射栅的分布图案的一次压印模板；

使用所述一次压印模板采用分步重复压印方法在基片上连续印制，将该基片制作为具有多个与所述一次压印模板上的图案相同的二次压印模板；

使用所述二次压印模版压印制作声表面波传感器。

2.根据权利要求1所述的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，其特征在于：

所述采用分步重复压印方法中的压印方法包括：热压印方法、紫外固化压印方法、微接触压印方法。

3.根据权利要求2所述的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，其特征在于：

所述采用分步重复压印方法中的压印方法为热压印方法，具体包括：

步骤1，在所述基片上均匀涂布一层热塑性高分子光刻胶，并将所述光刻胶加热到玻璃转化温度以上；

步骤2，施加压力，将所述一次压印模板压入到已高温软化的光刻胶内，并维持高温、高压状态；经过预设的维持时间后，使热塑性高分子光刻胶填充到所述一次压印模板的纳米结构内；

步骤3，待所述光刻胶冷却固化后，释放压力，将所述一次压印模板脱离所述基片；

步骤4，平移所述一次压印模板，重复步骤2和3，在所述光刻胶上重复进行压印复制所述一次压印模板的图形；

步骤5，对所述基片表面的带有压印图形的光刻胶进行反应离子刻蚀去除残留的底胶。

4.根据权利要求3所述的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，其特征在于：

在完成步骤5后进行步骤6，在带有光刻胶图形的所述基片的表面溅射一薄层金属膜；

步骤7，采用剥离工艺去除所述基片表面的光刻胶以及其上面覆盖的金属膜，保留所述基片表面无光刻胶处覆盖的金属膜，生成所述二次压印模板。

5.根据权利要求4所述的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，其特征在于：

对所述二次压印模板表面采用烷基硅烷进行处理，在所述二次压印模板表面生成钝化层；所述烷基硅烷包括：CF3(CF2)6(CH2)2SiCl3。

6.根据权利要求4所述的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，其特征在于：

以所述二次压印模板表面保留下来的金属膜作为掩膜进行反应离子刻蚀，使所述基片具有相移型分布的图案。

7.根据权利要求5所述的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，其特征在于：

采用所述二次压印模版压印制作所述叉指换能器以及位于所述叉指换能器左、右两侧的反射栅，印制材料采用金属网，使得所述叉指换能器的汇流条为50％金属覆盖率的网格状汇流条。

8.根据权利要求7所述的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，其特征在于：

所述二次压印模版的基片材质为石英晶片；

所述叉指换能器的电极材料为铝、金或铜。

9.根据权利要求7所述的基于纳米压印工艺的叉指换能器的制造方法，其特征在于：

在所述叉指换能器的叉指条、汇流条的表面敷设二氧化硅保护膜。

10.根据权利要求1所述的基于纳米压印工艺的声表面波传感器制造方法，其特征在于：

利用电子束直写技术在一次模板上制作50-500个叉指换能器以及位于所述叉指换能器左、右两侧的反射栅的图案，生成所述一次压印模板。