包括柔性无线LC传感器的含有导电层的柔性器件

包括柔性无线lc传感器的含有导电层的柔性器件
技术领域
1.本发明涉及包含柔性导电层的柔性器件以及使用聚对二甲苯和pdms(聚二甲基硅氧烷，也称为二甲基聚硅氧烷或二甲基硅氧烷)薄膜层制造这种器件的方法。根据本发明的器件包括柔性无线lc薄膜单独传感器或传感器阵列。制造这种器件的方法包括在pdms薄膜衬底上制造微尺度褶皱导电(通常是金属)层的方法、嵌入式pdms薄膜微结构化层的开发以及自下而上的晶片规模传感器组件。


背景技术：

2.本发明采用已知的原理：
[0003]-对准的双电感器电感/电容(lc)传感器是良好的谐振回路，用于电感无线通信，无需电源。
[0004]-pdms弹性体(以低杨氏模量为特征)是生物相容的“黄金标准”材料，用于可穿戴技术、柔性传感器和生物电子器件以及当前pdms金属沉积的局限性。
[0005]-弹性微结构介电介质在柔性传感器领域中相对于均匀介质或气隙介质表现出优越的变形性能，比如对压缩循环具有增加的和可调的低压灵敏度和超快(～ms)高度可重复的弹簧响应，而没有粘弹性蠕变。
[0006]-工业标准半导体微加工处理方法，用于基于大规模晶片的批量生产，比如光刻、自下而上的逐层结构化、光刻自对准以及通过旋涂、溅射和蒸发的薄膜层沉积。
[0007]
高产量柔性薄膜lc压力传感器阵列的成功大规模制造依赖于实现双电感器结构的高度平移和角度精确对准。这一挑战与压敏微结构夹层加工过程中的集成困难相结合。迄今为止，大规模的仅含薄膜弹性体的lc传感器阵列难以大规模生产，原因在于：
[0008]
(1)在沉积、变形或弯曲之后，在薄膜弹性衬底比如pdms上形成微尺度金属结构的裂纹，导致目前使用柔性/适应性较差的衬底用于电感结构；
[0009]
(2)在柔性衬底上用于形成微结构化层的软光刻制造方法，其不符合自下而上的大规模传感器组装方法；以及
[0010]
(3)依赖于在单独开发每个传感器层和通过机械对准、高压和热层压来组装传感器结构时使用的不可扩展的方法，
[0011]
这产生了两个电感器轨道的不对准和结构的不均匀性，并因此大规模地降低了传感器阵列的性能。
[0012]
采用无源lc传感器设计的压力传感器已被公认为竞争应用(例如医疗传感器、机器人)的灵活传感器。
[0013]
然而，大多数依赖于陶瓷或聚酰亚胺结构，这些结构或不柔性、不具有生物相容性，或不符合工业标准的半导体加工—而本发明仅使用pdms，因此完全具有生物相容性和柔性。
[0014]
此外，软光刻通常用于薄膜pdms，但这里描述的制造方法的实施例在薄膜上采用特定的牺牲模制，这同时允许传感器阵列的感应薄膜层的自下而上的分层、微结构和精确
对准；从而在晶片规模的柔性材料上生产高产量、高性能的传感器。全新的2d褶皱金属pdms层提供了前所未有的柔性水平，而变形时不会出现金属开裂。


技术实现要素：

[0015]
实现上述目的的本发明的方面主要包括一种自下而上组装诸如lc微传感器之类的器件的新方法，该方法通过将薄膜弹性体与2d褶皱导电(特别是金属化)表面对准，其次是通过可调角度的牺牲模具产生的微平截头体阵列几何形状的可变微结构层内对准，这与主要依赖于预蚀刻硅模具并导致设定平截头体角度的标准软光刻技术不同。
[0016]
因此，这种制造方法能够产生例如本发明的无线柔性lc传感器阵列，该传感器阵列包括两个薄膜pdms电感器层，其具有2d褶皱表面和对准的金属轨道，将微结构薄膜层内夹在中间。在单个晶片上的单个过程中形成的传感器单元阵列中的每个传感器单元可以与传感器阵列中的其他传感器单元相同或不同；例如，阵列中各个传感器单元的参数可以变化，使得每个传感器单元具有唯一的谐振频率。
[0017]
这里公开的制造方法有助于大批量晶片处理，以高精度对准同时生产例如不同的传感器，从而以降低的制造成本获得高产量。
[0018]
柔性、密集的薄膜传感器阵列—由于其制造方法—具有高精度对准和层结构一致性，从而确保相当高的性能。体现本发明的某些传感器的无源机电lc设计(其本身并不新颖，但之前由于未对准和使用柔性较低的材料而在柔性电子器件中缺乏性能)允许无电源无线信号通信。
[0019]
由本发明的实施例提供的2d褶皱金属化pdms层实现了相当大的灵活性，对于高达180
°
的角度具有可忽略的弯曲失效。
[0020]
概括地说，根据本发明各方面的方法包括处理载体衬底(通常是硅晶片),以确保随后施加到衬底上的第一pdms薄膜层对衬底外围的强粘附力，以及pdms层对衬底主要中心区域的低粘附力。施加一个或多个附加的杨氏模量逐渐增加的pdms薄膜层，以建立弹性递减的梯度，随后是聚对二甲苯薄膜层。将衬底浸入溶剂中达足以在pdms层中引起低强度溶胀的时间段。施加另一pdms薄膜层，接着施加另一聚对二甲苯薄膜层。聚对二甲苯层通过真空沉积来施加。在另一聚对二甲苯层的真空沉积过程中，溶剂从pdms层的扩散，结合第一pdms层的外围与基底、弹性梯度、初始聚对二甲苯层和随后的pdms层的强粘附，导致另一聚对二甲苯层的永久、均匀的微尺度褶皱。这种微尺度褶皱反映在随后施加到褶皱聚对二甲苯上的导电(例如金属)层中，因此褶皱导电层是高度柔性的(可以弯曲而不破裂)。相同的褶皱机理可用于随后进一步施加的层中。
[0021]
根据本发明的一方面，提供了一种生产柔性结构的方法，该柔性结构包括多个弹性材料薄膜层和至少一层微褶皱导电材料，该方法包括：
[0022]
a)对载体衬底应用选择性抗粘附处理过程，由此衬底的外围区域提供强粘附区域，外围区域内的衬底区域提供抗粘附中心区域；
[0023]
b)在载体衬底上形成第一多个连续的pdms薄膜层，每个连续的pdms薄膜层具有较小的交联剂与基底材料之比，因此比前面的pdms薄膜层具有较高的杨氏模量；
[0024]
c)在最后形成的pdms薄膜层上形成第一聚对二甲苯薄膜层；
[0025]
d)将载体衬底放置在有机溶剂中第一时间段，以在第一多个pdms薄膜层中引发溶
胀；
[0026]
e)在第一聚对二甲苯薄膜层上形成第一另外的pdms薄膜层；
[0027]
f)通过真空沉积在pdms的第一另外的薄膜层上形成聚对二甲苯的第二薄膜层，其中由于在所述真空沉积期间有机溶剂从第一多个pdms薄膜层扩散，产生永久的微尺度褶皱表面形态，从而提供第一微尺度褶皱聚对二甲苯层；
[0028]
g)在第一微尺度褶皱聚对二甲苯层上形成并图案化第一层导电材料，使得第一图案化导电材料具有与第一微尺度褶皱聚对二甲苯层一致的微尺度褶皱表面形态，从而提供第一微尺度褶皱导电图案层。
[0029]
在一些实施例中，应用于载体衬底的选择性抗粘附处理过程包括使衬底的外围区域高度亲水并且使衬底在外围区域内的中心区域高度疏水的过程。通过干燥薄抗粘附层，例如三氯(1h、1h、2h、2h-全氟辛基-硅烷)，可以使衬底的中心区域高度疏水。可以通过选择性o2等离子体蚀刻将衬底的外围区域制成高度亲水的。
[0030]
在一些实施例中，选择有机溶剂和第一时间段以在第一多个pdms薄膜层中引起一定程度的溶胀，这导致在第一另外的pdms薄膜层中产生永久微尺度褶皱表面形态。可以选择有机溶剂和第一时间段，以便获得在第一另外的pdms薄膜层中产生的永久微尺度褶皱表面形态的期望褶皱波动波长。
[0031]
在一些实施例中，有机溶剂是n-甲基-2-吡咯烷酮、二恶烷、碳酸二甲酯、吡啶或二甲基甲酰胺。
[0032]
在一些实施例中，第一另外的pdms薄膜层的杨氏模量等于第一多个pdms薄膜层的最后形成的层的杨氏模量。
[0033]
在一些实施例中，载体衬底是硅晶片。
[0034]
在一些实施例中，第二微尺度褶皱导电图案层通过以下形成：
[0035]
将载体衬底放置在有机溶剂中第二时间段，以在第一多个pdms薄膜层中再次引发溶胀；
[0036]
在前述结构的最上层上形成一个或多个附加的pdms薄膜层；
[0037]
通过真空沉积在附加的pdms薄膜层的最上面形成第三聚对二甲苯薄膜层，其中由于在所述真空沉积期间有机溶剂从第一多个pdms薄膜层扩散，产生永久微尺度褶皱表面形态，从而提供第二微尺度褶皱聚对二甲苯层；以及
[0038]
在第二微尺度褶皱聚对二甲苯层上形成并图案化第二层导电材料，使得第二图案化导电材料具有与第一微尺度褶皱聚对二甲苯层一致的微尺度褶皱表面形态，从而提供第二微尺度褶皱导电图案层。
[0039]
一些实施例还包括在第一微尺度褶皱导电图案层上形成一个或多个附加的pdms层，并图案化一个或多个附加的pdms薄膜层中的一个或多个以产生3d微结构。3d微结构可以通过光刻形成。3d微结构的图案化可以提供对应于单个器件阵列的单个3d微结构阵列。一个或多个单独3d微结构可以具有不同于一个或多个其他单独3d微结构的一个或多个物理参数。第二微尺度褶皱导电图案层可以通过上述形成第二微尺度褶皱导电图案层的方法来形成。该方法中的一个或多个附加的pdms薄膜层可以包括用于产生3d微结构的一个或多个附加的pdms薄膜层。将载体衬底放置在有机溶剂中第二时间段以在第一多个pdms薄膜层中再次引发溶胀也可以溶解用于图案化3d微结构的光刻光掩模。3d微结构可以包括单独平
截头体阵列的阵列，并且第一和第二微尺度褶皱导电图案层中的每个可以包括单独电感结构阵列，并且每个微尺度褶皱导电图案层的每个电感结构可以与3d微结构的相应平截头体阵列和另一个微尺度褶皱导电图案层的相应电感结构对准，以提供可用作无线lc传感器的单独器件阵列。平截头体阵列的侧壁角度可以通过在3d微结构的光刻形成期间的uv曝光确定。
[0040]
每层导电材料可以使用光刻法来图案化。
[0041]
每层导电材料的图案化可以提供对应于单个器件阵列的单个导电结构阵列。一个或多个单独导电结构可以具有不同于一个或多个其他单独导电结构的一个或多个物理参数。
[0042]
每层导电材料可以是金属层。每个金属层可以包括钛、铝、铬、金、银、铜、钨、铂和铅中的一种或多种。每个金属层可以包括第一层钛或铬和第二层铝。
[0043]
根据本发明的第二方面，提供了一种柔性结构，其包括多个弹性材料薄膜层和至少一层微褶皱导电材料，该结构包括：
[0044]
第一多个连续的pdms薄膜层，每个连续的pdms薄膜层具有较小的交联剂与基底材料的比率，因此比前一pdms薄膜层具有较高的杨氏模量；
[0045]
第一聚对二甲苯薄膜层；
[0046]
在第一聚对二甲苯薄膜层上的第一另外的pdms薄膜层；
[0047]
在第一另外的pdms薄膜层上的具有永久微尺度褶皱表面形态的第二聚对二甲苯薄膜层，提供第一微尺度褶皱聚对二甲苯层；
[0048]
在第一微尺度褶皱聚对二甲苯层上的第一层导电材料，其具有与第一微尺度褶皱聚对二甲苯层一致的微尺度褶皱表面形态，提供第一微尺度褶皱导电图案层。
[0049]
第一另外的pdms薄膜层可以具有等于第一多个pdms薄膜层的最后形成的层的杨氏模量。
[0050]
该结构可以还包括：
[0051]
在前述结构的最上层上的一个或多个附加的pdms薄膜层；
[0052]
具有永久微尺度褶皱表面形态的第三聚对二甲苯薄膜层，提供第二微尺度褶皱聚对二甲苯层；以及
[0053]
在第二微尺度褶皱聚对二甲苯层上的第二层导电材料，使得第二图案化导电材料具有与第一微尺度褶皱聚对二甲苯层一致的微尺度褶皱表面形态，从而提供第二微尺度褶皱导电图案层。
[0054]
该结构可以还包括在第一微尺度褶皱导电图案层上的一个或多个附加的pdms层，一个或多个附加的pdms层被图案化以提供3d微结构。3d微结构的图案化可以提供对应于单个器件阵列的单个3d微结构阵列。一个或多个单独3d微结构具有不同于一个或多个其他单独3d微结构的一个或多个物理参数。该结构可以包括第二微尺度褶皱导电图案层。一个或多个附加的pdms薄膜层可以包括提供3d微结构的一个或多个附加的pdms薄膜层。3d微结构可以包括单独平截头体阵列的阵列，并且第一和第二微尺度褶皱导电图案层中的每个可以包括单独电感结构阵列。每个微尺度褶皱导电图案层的每个电感结构可以与3d微结构的相应平截头体阵列和另一个微尺度褶皱导电图案层的相应电感结构对准，以提供可用作无线lc传感器的单独器件阵列。平截头体阵列的侧壁角度可以通过在3d微结构的光刻形成期间
的uv曝光来确定。
[0055]
每层导电材料可以使用光刻法来图案化。
[0056]
每层导电材料的图案化可以提供对应于单个器件阵列的单独导电结构阵列。一个或多个单独导电结构可以具有不同于一个或多个其他单独导电结构的一个或多个物理参数。
[0057]
每层导电材料可以是金属层。每个金属层可以包括钛、铝、铬、金、银、铜、钨、铂和铅中的一种或多种。每个金属层可以包括第一层钛或铬和第二层铝。
[0058]
体现本发明的器件可以包括上述单独器件阵列中的一个。该器件可以是无线lc传感器。
附图说明
[0059]
现在将参考附图，仅通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：
[0060]
图1a是说明可以使用本发明实现的一种无线lc压力传感器的工作原理的电路图。
[0061]
图1b是示出lc压力传感器的谐振频率如何随接触压力变化的示例的曲线图。
[0062]
图2是示出了可以使用本发明实现的一种无线lc压力传感器200的物理结构的分解图。
[0063]
图3a至3e示出了根据本发明实施例的制造无线lc传感器阵列的过程。
[0064]
图4是根据图3a至3e的方法制造的传感器的一部分的剖视图。
[0065]
图5a进一步示出了图3a所示的载体晶片的选择性抗粘附预处理过程。
[0066]
图5b进一步示出了图3b所示的永久磨砂褶皱金属化过程。
[0067]
图5c进一步示出了图3c所示的微结构微制造过程。
[0068]
图6示出了金属化之前聚对二甲苯涂覆的pdms层的永久磨砂褶皱表面。
[0069]
图7a示出了在聚对二甲苯涂覆的pdms层的永久磨砂褶皱表面上的可调微尺度金属化和波动波长的均匀性的示例，其中字母对应于a＝1μm，b＝1.5μm和c＝2μm金属沉积，数字下标(例如a1)对应于不同的晶片批次。
[0070]
图7b以更大尺度示出了褶皱金属化(这里为2μm厚)的均匀性。
[0071]
图8是示出了对于图8中所示的三种金属化厚度的传感器s
11
幅度对厚度的曲线图。
[0072]
图9示出了传感器的嵌入式薄膜微结构化层。
[0073]
图10示出了轨道宽度低至25μm的多线圈双电感结构的高对准成品率，其中(左)是顶部电感器，(右)是底部电感器。
[0074]
图11是示出了在一批中开发的传感器的曲线图，该传感器具有覆盖80mhz至1ghz频带的独特谐振频率。
[0075]
图12示出了褶皱轨道对180
°
弯曲的弹性。
[0076]
图13示出了由褶皱提供的应力释放，而由刀片引起的破裂被停止并仅包含在损坏位置附近的几微米内。
[0077]
图14示出了在图3c和5c所示的微结构微制造过程中的储层形成和优先溶解：(a)牺牲光致抗蚀剂层溶解的优先方向；(b)溶解前第一电感器层表面上嵌入式牺牲模具的照片；(c)俯视储集区的传感器结构的横截面(非结构化结合区域位于横截面的横向方向，并且未示出)。
[0078]
图15示出了(a)封装牺牲模具之后的优化的热下降步骤,(b)包含相同的10x10mm2传感器阵列的晶片的优先溶解技术，以及(c)在微结构化层形成期间起作用的微毛细管力。
[0079]
图16示出了通过在牺牲光致抗蚀剂层的形成期间控制uv曝光来实现的传感器的微结构层的平截头体侧壁角度至90
°
和74
°
的可调能力。
[0080]
图17示出了光刻微对准结构。
[0081]
图18示出了在对准的第二电感器层的沉积期间，当没有形成通孔并且储层保持被封装时，传感器阵列膜的膨胀缺陷。
具体实施方式
[0082]
本发明的实施例将在此通过示例的方式具体参考柔性无线lc压力传感器来描述。本发明适用于其他类型的传感器和其他设备，如以下描述中讨论。优选实施例提供了传感器/器件阵列的晶片规模生产，采用硅晶片作为载体衬底，用于柔性多层薄膜结构的自下而上生产，该薄膜结构可以结合微褶皱导电元件和三维微结构。本发明能够在晶片上同时生产多个薄膜传感器/器件的阵列，其中阵列中的单独传感器/器件的物理参数可以在传感器/器件之间变化。在下面的描述中对“晶片”的引用将被理解为是指硅晶片作为所述方法的优选载体衬底。对“阵列”的引用将被理解为是指在这种载体衬底上形成的传感器/器件阵列，对“膜”的一般引用将被理解为是指为传感器/器件阵列提供基础的薄膜层的复合物。
[0083]
现在参考附图，图1a是说明可以使用本发明实现的一种无线lc压力传感器的工作原理的电路图。
[0084]
通用lc传感器电路100包括电感ls、电阻rs和电容cs。传感器的物理结构使得cs随着施加到传感器的压力而变化，从而传感器电路100的谐振频率也随着压力而变化。
[0085]
该电路是lc传感器的通用运算电路。下面描述的传感器的双电感器lc结构可以被示为等同于图1的电路。ls和cs是该结构中两个对准电感器的有效(耦合)电感和电容。
[0086]
无线读出测量系统110包括读出天线120，读出天线120包括电感la，电感la可以感应耦合到传感器电感ls。读出系统110测量传感器电路的谐振频率，以便确定施加到传感器的压力。
[0087]
可以测量传感器电路的谐振频率，例如，通过射频(rf)能量的扫频激励lc电路，然后使用相位检测器来定位谐振频率，或者通过以预定频率或一组频率的rf能量脉冲激励lc电路，然后使用锁相环(pll)电路来锁定传感器的谐振频率。
[0088]
图1b是示出lc压力传感器的谐振频率如何随接触压力变化的示例的曲线图。
[0089]
这些通用类型的无线lc压力传感器和读出系统对于本领域技术人员来说是公知的，并且在此将不详细描述，除非是为了理解本发明的目的所必需的，本发明提供了制造这种无线lc传感器的改进方法以及通过这些方法获得的改进传感器。
[0090]
图2是示出了可以使用本发明实现的一种无线lc压力传感器200的物理结构的分解示意图。该结构包括包含第一电感结构220的底层210、包含传感器微结构240的中间层230和包含与第一电感结构220对准的第二电感结构260的顶层250。第一和第二电感结构220和260一起提供传感器200的电感和电容，后者源于两个对准的电感结构220和250的重叠轨道，中间层230充当耦合电容器的电介质。传感器微结构240的物理性质使得中间层的厚度和相对介电常数随着压缩变形(例如施加的压力)而变化。主要地，响应于压缩变形的
微结构化层厚度的减小是主导因素。
[0091]
微结构240例如可以是包括平截头体阵列的结构化弹性体，例如金字塔结构阵列。中间层230的厚度和相对介电常数以及其随压力变化的方式部分取决于所使用的材料，部分取决于微结构240的物理特性。因此，对于给定的材料，传感器200的频率响应取决于平截头体阵列的物理参数，例如平截头体的尺寸、形状(包括壁角)和间距/密度。本发明的各方面允许控制这些参数，包括平截头体壁角度，以便微调传感器对压缩变形的频率响应和灵敏度，并允许同时生产的传感器阵列中的不同传感器具有不同的频率响应。
[0092]
关于该后一点，这里描述的整个过程能够：
[0093]
(1)产生在结构和阵列配置参数方面可调的均匀微结构化层，其影响传感器对压缩的总体机械响应(即下面描述的微结构化过程)。这里采用的直接光刻法直接在薄膜衬底上形成嵌入式微结构化层，原则上允许为同时生产的传感器阵列中的各个传感器选择性地设计微结构化层的微特征(即通过将各个传感器之间的变化结合到光刻光掩模设计中)。可变特征几何形状可以应用于每个传感器或每个传感器阵列区域的阵列上；例如平截头体的底部尺寸、平截头体的间距/密度、平截头体几何形状(圆形、方形、三角形、矩形等)。厚度和平截头体角度虽然都是完全可调的，但可以在整个阵列上保持均匀，因此对于每个晶片批次的所有传感器都是相同的。所有上述控制传感器对变形的机械(结构)响应，以及微结构层材料的物理参数(例如杨氏模量，即弹性)
[0094]
(2)超密集可扩展lc传感器阵列(例如如本文所示的200μm间距)，其中每个传感器可被设计(电感器尺寸、轨道尺寸比如环、宽度和间距)为在独特的谐振频域中操作；即借助于所采用的褶皱/金属化和组装过程来提供唯一可寻址的传感器。lc传感器的环境谐振频率(即操作频率范围)和对压力的灵敏度之间存在固有的基本关系，也可以利用这种关系。
[0095]
(3)上述(1)和(2)的组合(即整个过程)允许在性能、工作频域和传感器尺寸方面完全可调的传感器阵列。
[0096]
此外，整个过程允许双电感器lc传感器被开发成在需要时在《80mhz至1ghz的有利低频带操作，如图11所示，这与操作》1ghz的现有技术的双电感器lc传感器形成对比，现有技术的双电感器lc传感器更适用于医疗应用(即受组织衰减的影响更小)。然而，本发明也可以用于生产操作频率》1ghz的双电感器lc传感器。
[0097]
层210、230和250以及微结构240由光学透明的弹性材料形成，使得传感器结构是柔性的，并且允许通过光刻技术形成的特征的对准，如下所述。本发明采用pdms(聚二甲基硅氧烷，也称为二甲基聚硅氧烷或二甲基硅氧烷)和聚对二甲苯(优选聚对二甲苯c)，如下面详细讨论。
[0098]
电感结构220和260可以由任何合适的金属或其他导电材料形成，优选地由nm薄的钛(ti)或铬(cr)的组合形成，用作种子层以提供对下面衬底的改善的粘附力，并且微尺度厚的铝(al)形成导电层的主体，如在下面描述的本发明的实施例中。
[0099]
最适合这些类型的电感结构的其他材料包括例如铬、金、银、铜、钨、铂、铅等，即具有ρ《～20*10-8ωm的低电阻率系数的材料，这种材料可以为lc传感器提供足够高的品质因数，以实现有效的无线读出。
[0100]
电感结构220和260通常包括平螺旋结构，图示为直角螺旋，尽管可以采用其他螺旋类型，比如其他形式的多边形螺旋或圆形/椭圆形螺旋。可以选择电感结构的形状、尺寸、
厚度和材料，以提供所需的任何电特性，也可以选择材料，以提供所需的物理特性，特别是柔性。
[0101]
除了lc压力传感器，可能利用本发明的其他传感器/器件类型包括但不限于：
[0102]-气体/液体传感器，例如“电子鼻”或“e鼻”。将传感器引入液体或气体环境将允许液体/气体进入传感器的微结构化层，因为在传感器从膜上分离之后，横截面是暴露的。可以通过改变微结构化层的介电常数或/和通过溶胀(增加厚度)来提供对目标量的监测，因为许多溶剂可以引起pdms的显著溶胀，例如氯仿、四氢呋喃、乙醚、二甲苯、戊烷、苯等。
[0103]-接近传感器。当传感器接近高导电材料时，反之亦然，例如金属，谐振频率向上移动。
[0104]-弯曲和应变传感器。弯曲或应变也会引起压缩变形，因此传感器可能会重新用于这种应用。
[0105]-柔性天线/电子器件。本文所述的微尺度褶皱低电阻率金属化和薄膜柔性生物相容性pdms衬底有助于开发高性能柔性天线(例如可穿戴或生物医学应用)或作为柔性电子器件的聚酰亚胺的更柔性替代品。
[0106]
如下面进一步描述，本发明包括制造微尺度褶皱(“微褶皱”)导电层的方法，该导电层可用于提供无线lc传感器的电感结构，以实现高度柔性。
[0107]
现在参考图3至图5，本发明的一方面提供了一种用于制造柔性薄膜结构的过程，该柔性薄膜结构提供了诸如无线lc传感器之类的器件，并且更具体地，用于在单个载体衬底(晶片)上制造多个分立器件/传感器的阵列，其中该阵列的每个器件/传感器可以具有不同的特性。
[0108]
图3a至3e提供了用于生产无线lc传感器的过程的示例实施例的概述，图4示出了所生产的传感器结构的横截面，以及图5a至5c示出了图3a至3d中所示的子过程的进一步细节。
[0109]
整个过程包括在诸如硅载体晶片310的载体衬底上自下而上沉积不同材料的连续层。如图3a所示，优选实施例包括应用于载体晶片310表面的选择性抗粘附处理过程，由此晶片的外围320被制成亲水性的，以提供强粘附力，而中心区域330被制成疏水性的，以提供低粘附力。下面参照图5a更详细地描述这个初步过程。应当理解，为了说明的目的，图3至图5示出了单个传感器结构的一小部分，而具有亲水外围320和疏水中心区域330的载体晶片310将承载多个单独传感器的阵列。
[0110]
图3b示出了在第一组层已经连续沉积在载体晶片310上之后的传感器结构；即图4的层l1至l6，如下表1详述。层l1至l5一起对应于图2的底层210，层l6对应于图2的第一电感结构220。
[0111]
图3c示出了在第二组层已经沉积在先前层的顶部之后的传感器结构；即图4的层l7至l9，如下表1详述。层l7封装第一电感结构(层l6),层l8和l9对应于图2的中间层230和传感器微结构240。
[0112]
图3d示出了在第三组层已经沉积在先前层的顶部之后的传感器结构；即图4的层l10至l12，如下表1详述。层l10和l11一起对应于图2的顶层250，层l12对应于图2的第二电感结构260。
[0113]
图3e示出了干燥后的最终传感器结构，沉积最终层l13以封装第二电感结构(层
l12)和已经从载体晶片310剥离的传感器阵列。
[0114]
如下文将进一步描述，本发明采用不同弹性的pdms和聚对二甲苯(优选聚对二甲苯c)层，以提供在微尺度(“微尺度褶皱”或“微褶皱”)上二维均匀褶皱的聚对二甲苯表面(“2d褶皱表面”)，在其上沉积金属层l6和l12，使得金属层本身是微褶皱的，因此是高度柔性的。
[0115]
根据本发明的无线lc传感器的一个特定实施例包括层l1至l13，如下表1所示。
[0116]
表1
[0117][0118][0119]
**注意，传感器结构的总厚度不包括金属层l6和l12的厚度，它们被封装在层l7和l13的厚度中。
[0120]
从表中可以看出，传感器结构包括(i)pdms的薄膜弹性体层，其使用两种不同的交联剂与基底材料的比率，因此具有不同的弹性：pdms 1:10用于层l1和l7-l9(对于构成传感器200的中间层230/微结构240的l8和l9，杨氏模量为1.7mpa或更大)，pdms 1:5(杨氏模量为3.2mpa)用于层l2、l4、l10和l13，以及(ii)聚对二甲苯，层l3、l5和l11具有高得多的杨氏模量(2.7gpa)。
[0121]
本发明采用硬度逐渐增加(杨氏模量增加)的薄膜pdms层，在朝向聚对二甲苯层(在该示例中为l5和l11)的方向上产生弹性降低的梯度，这在最终产品中表现出微尺度褶皱。弹性梯度有助于微尺度褶皱表面的形成，如下文进一步所述。作为最小，需要两个这样
的pdms层来产生所需的弹性梯度。优选使用这种最小数量的两个pdms层，以便最小化结构的复杂性，从而最小化生产的时间和成本。
[0122]
pdms弹性可以两种方式变化，只要保持梯度杨氏模量朝向待金属化的上层界面，以允许褶皱出现(见下面褶皱方法的描述)：
[0123]
1.从1:50到1:5的天然pdms例如sylgard 184的弹性体基料对交联剂分别导致10kpa到3.5mpa的杨氏模量(也取决于固化温度和固化时间)
[0124]
2.pdms共混物比如sylgard 527和sylgard 184导致更可控和更稳定的5kpa至1.7mpa的杨氏模量(即避免当比率显著降低时可能出现的部分交联和不希望的扩散)
[0125]
3.杨氏模量影响传感器对压缩变形的机械响应，这对于l8(微结构)层尤其重要，并且进一步涉及传感器性能的调节能力。
[0126]
在这个示例中，除了具有13μm厚度的层l8(微结构化层)之外，pdms层都具有19μm的厚度，而聚对二甲苯层薄得多，为2.5μm。
[0127]
pdms的旋涂和聚对二甲苯的真空沉积使得能够精确控制晶片上各层的厚度并使其均匀。如下所述，对聚对二甲苯层使用真空沉积也在聚对二甲苯层l5和l11的褶皱中起作用。
[0128]
对于pdms层，通过旋涂，厚度可以从《10μm变化到》200μm。
[0129]
薄膜弹性体具有更高的顺应性(弯曲度)，从而提高了柔性。增加层的厚度t，特别是对于层l6-l10，显著降低了传感器的电容和传感器的两个电感器的电感耦合，导致它们的谐振频率成比例地增加(即～√t)。此外，对于层l6-l10，显著的总厚度增加(例如t》500μm，即不再是薄膜)将有效地消除传感器结构的两个对准的电感器的电感和电容耦合，导致对压缩变形电磁不敏感的去耦传感器系统。
[0130]
对于聚对二甲苯层，厚度可以通过设备(例如scs pds2010聚对二甲苯涂布机)的沉积速率来控制。
[0131]-0.5μm至3μm的测试厚度对传感器的柔性和性能没有明显影响。
[0132]-厚度《0.5μm预计会导致衬底表面的有效金属化覆盖不足，而厚度》5μm可能会导致过度覆盖，掩埋褶皱表面并导致平面形态。平面表面在弯曲或压缩变形下会导致裂纹形成(下面将参照褶皱方法进一步讨论)。
[0133]
在该示例中，由层l8提供的微结构平截头体阵列包括50x50μm2的元件。
[0134]
微结构化层是通过光刻形成的(即通过牺牲微模光致抗蚀剂层的旋涂和uv曝光)。这样，特征的尺寸、几何形状或/和间距可以从《1μm到期望的大到例如》1mm的精度变化(即取决于光掩模设计和uv曝光系统)。
[0135]
微结构阵列的几何形状也可以变化，以包括方形微特征，或者圆形、三角形、矩形等或者其任意组合，具有或不具有不同/可变的结构尺寸(即取决于光掩模设计)。后者可以根据要求(下面参照微结构过程进一步讨论)实现膜的单独传感器或传感器阵列区域的可调和选择性机械响应。
[0136]
如将在下面进一步讨论，制造过程导致聚对二甲苯层l5和l11，以及因此沉积在其上的金属层l6和l7，具有微褶皱表面形态，而其他层具有均匀的表面形态。
[0137]
图5a进一步示出了图3a的选择性抗粘附处理过程，由此例如通过干燥三氯(1h、1h、2h、2h-全氟辛基-硅烷)薄层，使si载体晶片310的主要中心区域330选择性地高度疏水，
从而提供活性抗粘附中心区域。可以使用任何相应的低表面张力层来实现降低中心区域的粘附力，以提供类似的结果。晶片外围320被制成高度亲水的，例如通过选择性o2等离子体蚀刻，从而提供支撑性的强粘附区域。
[0138]
外围区域320的宽度相对于载体衬底310的直径被选择为尽可能小，同时确保在后续过程步骤期间保持第一pdms层l1的第一层粘附到衬底。希望强边界区域的径向宽度尽可能小，因为这为待开发的传感器阵列提供了更可用的有效区域。在本文所述的示例性过程中，利用3英寸(7.62cm)的晶片，宽度被任意选择为约10mm，以确保弹性体膜与载体晶片的牢固结合以及在加工过程中膜的牢固平面性，但如果需要，该宽度可以减小，可能低至0.5-1mm。
[0139]
通过在干燥器中吸附3h(活性抗粘附区)，可以在si晶片表面上均匀沉积一层三氯(1h、1h、2h、2h-全氟辛基-硅烷)纳米薄层(小瓶中3滴)。晶片表面外围的选择性o2等离子体蚀刻可以通过在晶片上附着临时掩模来促进，该临时掩模屏蔽中心抗粘附区域。
[0140]
选择性抗粘附处理为在晶片的整个表面区域上的二维褶皱表面形态的高度均匀和各向同性的波动(通常波长λ在7.5μm的量级)的出现提供了强边界条件，用于随后的褶皱金属化过程，同时随后使得能够从载体晶片310手动剥离(分离)传感器膜，并且进一步使得在处理期间膜具有高平面性。
[0141]
这种防粘附过程在后期阶段在整个表面上提供均匀和各向同性褶皱的作用将在下面进一步描述。
[0142]
图5b示出了第一电感器层l6的褶皱金属化过程，其包括：
[0143]
5b-(i)-a通过旋涂和热交联连续沉积两层薄膜pdms层l1和l2，每一层具有不同的杨氏模量(在该示例中分别为1:10和1:5的pdms交联剂与基料的比例，例如使用来自陶氏化学公司的sylgard
tm 184)。
[0144]
旋涂pdms是在晶片规模上提供可控薄膜(即μm级)厚度。可替代地，与pdms一起使用的典型铸造方法导致亚mm到mm级厚的层，对薄膜厚度和表面的均匀性/平面性几乎没有控制(也参见上面关于具有薄膜结构对传感器性能的重要性的讨论)。替代方法可以是喷射(涂覆)法，但这需要稀释(例如己烷)以降低与喷枪一起使用(即通过喷嘴)的材料的粘度，并且会降低聚合物的硬度。
[0145]
5b-(i)-b通过第一薄膜聚对二甲苯c层l3的真空蒸发沉积。
[0146]
聚对二甲苯涂层通常在环境温度下通过气相沉积过程(即使用专门的真空沉积设备，例如cs pds 2010，kisko)沉积到被保形涂覆的衬底或材料上。聚对二甲苯聚合物沉积有效地发生在分子水平，其中薄膜基本上一次“生长”一个分子。
[0147]
5b-(ii)将晶片放置在n-甲基-2-吡咯烷酮浴中12小时。该步骤的目的是在pdms层l1和l2中引起低强度溶胀，这与上面提到的弹性梯度相结合，导致聚对二甲苯层l5在随后施加时自发褶皱。这将在下面进一步讨论。可以使用具有类似性质的其他生物相容性有机溶剂(例如具有低溶胀比s《1.1和对pdms的类似溶解度—δ～11cal
1/2
cm-3/2
)，比如二恶烷、碳酸二甲酯、吡啶或二甲基甲酰胺(对于这些其他溶剂，可以根据s和δ参数调整在溶剂浴中的放置时间，以便获得如本文所述的λ～7.5μm的褶皱波动波长)。
[0148]
5b-(iii)-a通过1:5比率的pdms薄膜层l4的旋涂和交联的沉积。
[0149]
5b-(iii)-b通过薄膜聚对二甲苯c层l5的蒸发沉积，并自发产生永久“磨砂”和均
匀的二维褶皱表面形态(借助于上述选择性抗粘附处理过程)，这将在下面进一步讨论。
[0150]
注意：术语“磨砂”、“永久磨砂”在本文中用来指稳定的、永久的微褶皱，类似于与图6、7和13所示的本发明的微褶皱相似的磨砂图案。
[0151]
5b-(iv)o2等离子体蚀刻和活化，第一电感器结构的光刻图案化，通过溅射或电子束蒸发(或例如电镀或热蒸发)金属化期望的ti/al厚度，以及剥离溶解以形成第一电感器层l6。
[0152]
o2等离子体蚀刻增加了金属对聚对二甲苯表面的粘附力；替代方法是o2反应离子蚀刻(rie)。
[0153]
5b-(v)通过旋涂用1:10薄膜pdms层l7封装。
[0154]
因而至此创建的包括层l1至l6的结构提供了由层l1至l5构成的柔性弹性衬底，具有柔性微褶皱导电层l6，其可被图案化以提供感应螺旋，如在此描述的实施例中，或者任何其他有用的导电图案；例如为可穿戴和/或生物医学应用提供柔性天线。因此，层l1至l6独立于这些实施例的附加层l8至l13提供了新颖且有用的柔性结构，并且具有或不具有封装导电层l6的诸如l7的层。
[0155]
pdms衬底上聚对二甲苯层l5的表面褶皱的自发产生是由于衬底最上面界面处复杂的机械屈曲不稳定性，多层衬底膜的梯度机械性能和n-甲基-2-吡咯烷酮对下层引发的低强度溶胀(对于pdms，s＝1.03溶胀系数)协同促进了该不稳定性，并且l1层的外围对载体衬底的强粘附支持该不稳定性。
[0156]
非均质多层衬底的低强度溶胀导致下面pdms l1和l2层的体积相变，l1和l2层被限制在由l3聚对二甲苯层提供的保形涂层和对刚性载体晶片外围的强粘附之间，并且由于溶剂从层l1和l2的扩散，在真空下沉积l5聚对二甲苯层期间溶胀状态被释放，又经历突然体积变化。非均质pdms衬底(l1和l2)的机械性能的梯度变化和由于溶剂扩散引起的突然体积变化，结果在膜厚度的大部分上产生各向异性的渗透压，导致在最上面(l4)pdms层界面处出现面内等双轴压缩应变，这导致膜翘曲，并因此导致表面的迷宫式褶皱图案(“磨砂”)，同时聚对二甲苯沉积(l5)同时有助于褶皱形成的稳定(磨砂)。l3/l4界面用作为"刚柔"界面，促进了在l1/l2产生的机械屈曲不稳定性，朝向最上面"刚柔"界面l4/l5，并出现表面起皱。
[0157]
自发褶皱有效地用作膜表面上的自组织机制，使最上层界面的组合弯曲能量和内层储存的弹性应变能量最小化。本文所述的褶皱形态(例如波动的波长)的控制可以通过调节衬底的构成层的机械性能(例如杨氏模量)、层的厚度和/或溶胀引发有机溶剂的浸渍时间来实现。该方法与现有技术中报道的均质弹性体膜(即单一天然层)的典型大强度溶胀方法形成对比，均质弹性体膜受限于它们不能大规模获得有序褶皱表面，因为由溶剂施加的大应变反而有利于褶皱和折叠的形成(例如参见j.rodriguez-hernandez的“褶皱界面：利用表面不稳定性来图案化聚合物表面”，progress in polymer science，2015，1-41)。
[0158]
衬底表面上波动波长的均匀性(即对于这里报道的参数为λ～7.5μm)通过晶片的选择性抗粘附预处理而变得容易，这有效地在载体晶片的外围上产生强约束条件，并因此在弹性体基底和晶片的刚性表面之间产生牢固的界面，这导致在保形聚对二甲苯沉积(l5)期间由衬底承受的压缩应变指向最上面界面。聚对二甲苯层l5同时提供了褶皱形态的永久磨砂，与上述相结合，如图6所示，并且能够随后形成可调微尺度厚度的无裂纹金属轨道，磨
砂褶皱形态被保持，与沉积金属厚度无关，如图7所示(即与pdms的直接金属沉积相反)，因为聚对二甲苯在金属沉积期间最小化了界面表面的热膨胀。后者直接源于聚对二甲苯的导热系数(α＝3.5x10-5 k-1
)，其分别比pdms的导热系数(α＝2x10-4 k-1
)高一个数量级，并且更接近于金属的导热系数，例如这里使用的铝或钛(分别为α＝20x10-6
k-1
和α＝8.5x10-6
k-1
)。
[0159]
观察到在整个载体晶片上进行常规的均匀抗粘附处理导致整个衬底上的非各向同性和非均匀褶皱表面形态(即衬底的褶皱和非褶皱区域，具有可变波长的波动)，同时观察到与目前描述的方法或衬底构成的显著偏差，例如排除n-甲基-2-吡咯烷酮处理和/或多层衬底结构的一层，使褶皱形态无效，而是导致pdms衬底的光滑或破裂的表面形态。
[0160]
根据本公开提供的教导，本领域技术人员将理解，以下的组合：
[0161]
(i)应用于载体衬底的选择性抗粘附处理过程，由此衬底的外围区域提供强粘附区域，外围区域内的衬底区域提供抗粘附中心区域，
[0162]
(ii)由pdms(l1和l2)的连续薄膜层提供的弹性梯度，其交联剂与基底材料的比率降低，
[0163]
(iii)将载体衬底放置在有机溶剂中一时间段，以在那些pdms层中引发溶胀，这受到对载体衬底和覆盖的聚对二甲苯层(l3)的强外围粘附力的约束，
[0164]
(iv)施加另一pdms层(l4)以提供与先前聚对二甲苯层(l3)的“硬-软”界面，以及
[0165]
(v)在随后施加的聚对二甲苯薄膜层(l5)的真空沉积过程中溶剂的扩散，
[0166]
导致在随后施加的聚对二甲苯薄膜层(l5)中产生永久的微尺度褶皱表面形态。这又使得能够在聚对二甲苯的微尺度褶皱表面上形成导电材料层，使得导电材料具有与褶皱聚对二甲苯层(l5)一致的微尺度褶皱表面形态。因此，该过程为用于生产柔性结构的自下而上的晶片规模制造过程提供了基础，该柔性结构包括多个弹性材料薄膜层和至少一层微褶皱导电材料，这又使得能够使用光刻技术，首先图案化和精确对准多个微褶皱导电层，其次生产可调微结构层。如下文将进一步描述，上述过程特征(i)-(v)可以支持在器件结构内产生多个褶皱聚对二甲苯层。根据该教导，本领域技术人员将能够通过常规实验，在过程参数、层厚度和弹性等方面发现本文提供的特定实施例和示例的变型，这为本发明的特定实际应用提供了有用的结果。
[0167]
由于褶皱提供了增加的有效表面，功能化的表面形态在大的压缩和应变应力上提供了机械释放。这允许膜弯曲高达180
°
而不失效，如图12所示。任何诱发的裂纹形成，例如在图13中举例说明的，其中膜被锋利的刀片故意损坏，被阻碍并仅保留在损坏位置附近的几微米内，因为波纹的分布有效地阻止了金属不连续的任何传播，限制在一个平面上，直到到达垂直的波前。这种行为与pdms上平面光滑的常规金属化过程(通常限制在纳米级上)形成对比，在常规金属化过程中，源于局部应力点的裂纹在膜上传播。
[0168]
基于pdms的柔性无线lc传感器的成功开发需要为传感器电感结构实现高质量(即低电阻率)厚(t≥1μm)的金属轨道，以便为传感器提供足够高的品质因数(即品质因数具有1/r依赖性),从而能够通过电感耦合的方式进行无线读出，轨道能够表现出在沉积、从载体晶片分离、弯曲和压缩变形期间对失效(即开裂)的弹性。
[0169]
如图8所示，增加的金属厚度导致增加的回波损耗幅度|s
11
|(即增加的无线读出距离)，这是由于更厚的金属化提供了更高的品质因数。此外，发现褶皱铝金属化的电阻率在整个膜上是均匀的，具有非常低的值ρ-＝(10.7
±
1.6)10-8
ω.m，实际上与铝直接沉积在硅
等离子体)，所以它允许两层之间非常强的结合，因为在沉积的弹性体的热交联期间，在界面处，未固化的液体在pdms衬底l7中扩散。
[0179]
牺牲光致抗蚀剂模具的溶解是通过首先去除储集区处的临时pi屏蔽并将晶片置于n-甲基-2-吡咯烷酮浴中12小时来实现的(参见上述5c-(iii))，随后如图14所示，通过如图15c所示的毛细管力，沿一个方向通过暴露的两个储集区优先排出。后者通过将晶片放置在与溶解剂浴成角度的垂直位置来实现，同时通过在顶部储集区上间歇地沉积少量溶解剂，利用移液管将排出过程所需的时间从约3小时减少到约5分钟，如图15b所示。如图15b所示，使晶片处于垂直位置并通过使用移液管在现在位于顶部的一个储集区上反复沉积少量溶解剂，加速了(低至5分钟)溶解的牺牲微模光致抗蚀剂层的排出，该牺牲微模光致抗蚀剂层由毛细管力驱动至现在位于底部的第二储集区(参见图14a：溶解方向)。在毛细管力的影响下，液体优选在一个方向上不间断地流过整个微通道(参见图15，c1→
c3),因为微结构化层由于pdms而充当疏水性质的各向同性和对称的微流体结构。相比之下，简单地将晶片放置在该位置以进行排放，溶解的牺牲层随着时间的推移类似地被排出到底部储集区，但慢得多(》3小时)，并且批次间的产量更低(由于偶尔少量溶解的牺牲层被截留在结构内)。
[0180]
然后进行彻底的去离子(di)水浴，并在干燥器中进行热和真空干燥，以确保任何截留的液体残留物被排出(步骤5c-(iv))。因此，与当前的软光刻过程相比，储集区允许直接接近嵌入的牺牲层，从而使得能够自下而上地直接在衬底上形成薄膜嵌入的微结构化层，同时由于封装层与衬底的非结构化外围区域的强结合，在该处理阶段期间，通过衬底的非结构化外边界确保膜的平面性，该非结构化外边界将膜牢固地保持在适当的位置。
[0181]
与基于氢氧化钾(koh)蚀刻si模具然后用pdms封装的常规软光刻微结构化(这导致平截头体具有固定的54.7
°
侧壁角度)相反，牺牲层的直接光图案化使得平截头体的侧壁角度可调，这取决于uv曝光，如图16所示，这可以提供平截头体所经历的压缩变形的额外设计自由度，并因此提高对传感器压缩的机械灵敏度的调节能力。对于所开发的传感器，这里选择了～74
°
的侧壁角，因为它导致平截头体的有效杨氏模量降低了约3个数量级，从而提高了对变形的灵敏度。
[0182]
如图3d和3e所示，第二对准电感器层褶皱金属化过程、干燥、封装和剥离过程包括以下步骤。
[0183]
3d-(i)通过重复微褶皱过程的步骤(iii)-a、5b-(iii)-b和5b-(iv)来形成对准的第二电感器层和褶皱表面形态(如上所述的图3b和5b)，以产生层l10至l12，包括褶皱聚对二甲苯层l11和第二褶皱金属层l12，规定(a)利用包括在用于第一电感器层的光掩模中的微对准光刻设计特征，并因此包括在第一电感器层本身的图案中，以及在用于第二电感器层的光掩模中，使得传感器阵列的第一和第二电感器结构能够在晶片上精确和准确地对准，并且优选地，(b)在金属沉积之前，在微结构化层(l8/l9)的封装储集区的边缘形成小通孔。图10示出了通过本过程获得的具有低至25μm的轨道宽度的高度对准的多线圈电感器的示例。
[0184]
3e-(ii)热干燥和脱水。
[0185]
3e-(iii)通过旋涂和热交联用薄膜pdms层l13封装第二电感器层；以及
[0186]
3e-(iv)带有刀片膜的切口穿过活性防粘区域，并用传感器阵列手动剥离膜。
[0187]
参考上面的3d-(i)，层l11/l12的褶皱机制可以进一步解释如下。
[0188]
褶皱第二电感器金属化(l12)利用了层l1和l2的低强度溶胀的相同机制，因为当在有机溶剂中浸没(相同的)设定时间时(在步骤5c-(iii)中)以及在l11聚对二甲苯真空沉积期间，机械压缩不稳定性的产生实际上源自那里。层l1、l2、l3和l4，连同强的周边粘附力，在层l11的褶皱中起到与它们在层l5的褶皱中相同的作用。
[0189]
在这种情况下，如前所述，在步骤5c-(iii)中浸入有机溶剂再次导致l3聚对二甲苯层和刚性载体晶片之间的收缩的l1-l2 pdms层的低强度溶胀，当沉积l11聚对二甲苯层时，随着溶胀状态由于溶剂扩散而在真空下再次松弛时，其类似地经历突然体积变化。由于后者和膜结构的复杂梯度机械性能(弹性),类似地产生穿过膜主体的渗透压，导致在最上面的(l10)pdms层界面处出现面内等双轴压缩应变，这又导致膜的翘曲，并因此导致表面的迷宫式褶皱图案，而聚对二甲苯沉积(l11)同时有助于褶皱形成的稳定(磨砂),该褶皱形成与l12金属微尺度厚度沉积无关，如前所述。
[0190]
如果从膜结构中省略l10(1:5pdms),而l11聚对二甲苯层直接沉积到l9(1:10pdms)的表面上，这反而导致表面褶皱形态的消散(即反而产生平面表面),并且尽管引入了聚对二甲苯涂层l11，但在金属化过程中产生严重的裂纹形成。这是因为无约束的(即由于暴露的储集区)微结构化层在聚对二甲苯沉积期间(l11)有效地吸收界面处的弹性剪切(面内)屈曲变形，并且在金属沉积期间(l12)还在独立区域处的法向轴上经受增强的压缩。在沉积聚对二甲苯l11层之前引入l10(1:5pdms)恢复了膜的复杂机械性能和结构稳定性，因为它反映了层l1和l2的弹性梯度，并且还限制了下面的微结构化层，因此能够在如前所述沉积膜的第二电感器微尺度金属化(l12)之前在l10-l11的表面膜界面上产生相同的磨砂迷宫式褶皱形态(即λ～7.5μm，对于本文所述的过程参数)。
[0191]
如果需要的话，这种方法还可以进一步为随后的第三金属电感器层提供相同的褶皱形态的生成(并且如果所述方法被类似地适当调整，则可能为另外的电感器层提供相同的褶皱形态)。
[0192]
可以注意到，用于微结构化层(l8和l9)的更软的1:10pdms(1.7mpa)组合物能够使压力传感器对压缩负载具有最佳性能，因为较低的杨氏模量增加了微结构化层l8/l9经历的变形，这又显著提高了传感器装置的灵敏度。选择具有1:10pdms层l7的第一电感器结构l6的封装，以提供与l8微结构化特征的最大粘附，以及当传感器经历动态力(触觉)负载时对剪切力的分离的强弹性(结构稳定性)(即特征不分离，因此结构不分离)。
[0193]
进一步参考本文讨论的微尺度褶皱过程和机理，本发明人的理解是，膜的相邻层的机械弹性(刚度)的复杂可变性(梯度)在它们之间产生“软-硬”界面，例如l9/l10，这又使得在l1/l2产生的机械压缩不稳定性穿过膜传播，如前详细所述，并选择性地朝向上界面，在本示例中为l4/l5和l10/l11，在金属化之前永久褶皱。
[0194]
一般来说，[再次参见：j.rodriguez-hernandez的“褶皱界面：利用表面不稳定性来图案化聚合物表面”，progress in polymer science，2015，1-41]，由具有梯度弹性模量的两种成分构成的粘合(例如约束到刚性晶片)弹性体系统，例如较软的弹性体基底，用作“基础”，和沉积在顶部的较刚性层，在其界面处表现为固体“皮肤”，形成简单的双层弹性体系统。当机械应力超过临界载荷值时(例如通过拉伸或加热、施加压缩应力、冷却时或通过溶剂蒸发和渗透压(如果块状材料溶胀的话)而引入)以及随后移除所施加的应力时，允许膜“基础”松弛，从而导致称为“褶皱”的波状结构。为了在机械刺激的影响下驱动界面表面
弯曲出平面，并促进褶皱形成，需要聚合物界面处即“皮肤”和“基础”之间的刚度差异。“皮肤”和“基础”层因其不同的机械性能(杨氏模量和泊松比)而不同地改变其尺寸，因此在界面上产生压缩力，导致屈曲。
[0195]
本文描述的lc传感器层结构可以有效地视为由膜的相邻层产生的这种“软-硬”和“硬-软”界面的集合，即l1/l2、l2/l3、l3/l4、l4/l5、l5/l7、(l7-l9)*/l10和l10/l11(*l7-l9在这里都是1:10pdms，因此l7-l9可被认为是一个有效层)。分别在l5或l11对二甲苯层真空沉积期间，这些界面连续地促进压缩机械屈曲不稳定性，这是由结合到载体晶片的溶胀的l1和l2层的收缩引起的，穿过膜并朝向最上面的界面。关于l8/l9微结构化层，如前所述，还需要l10层来约束l8/l9层，否则褶皱会消失。如果微结构化的1:10pdms层(l7-l9)被完全省略，并且l10(1:5pdms)/l11(聚对二甲苯)层仅被沉积在它们的位置，这实际上是层l4/l5的精确重复，只要在引入所需的低强度溶胀之前将晶片放置在有机溶剂浴中，褶皱就会如预期的那样再次出现。
[0196]
通过利用pdms和聚对二甲苯的光学透明性(即传感器结构的)和通过在衬底上的通常两个位置(例如4个微交叉)使用典型的光刻微对准设计特征，其与第一电感器层同时沉积(即作为l6层图案的一部分)，并且在金属化之前，在第二电感器层的相应剥离光致抗蚀剂的光刻形成期间，当典型的uv掩模对准器设备定位具有相同特征的第二电感器层l12的光掩模时分别使用，实现了传感器的两个电感器层的空间和角度自对准。这是通过在处理期间(在工业设置中，这是自动的)将第一电感器层l6的微对准特征与第二电感器层l12的光掩模的特征在两个位置同时光学对准来实现的，以确保晶片规模对准(即用于晶片上正确的角度和空间对准)。
[0197]
图17中描绘了微对准特征，并且典型的光刻自下而上对准过程允许数量级为《3μm的非常低的未对准误差(取决于uv掩模对准器设备和光掩模)。
[0198]
后者还涉及本发明自下而上的过程优于典型的现有技术，现有技术包括单独的层显影和机械对准，因此本发明可以提供晶片规模的传感器阵列的高产量。
[0199]
如图18所示，在不存在上述通孔的情况下，在第二电感器层的金属沉积期间，由于溅射机的高真空，嵌入的微结构化层可能部分溶胀。该通孔使得嵌入的微结构层内的截留空气能够逸出，并且通过在封装的微结构区域和现在封装的储集区的边缘(界面)处的第二电感器层金属化之前，简单地用刀片切掉非常小的膜部分(例如《1x1mm2)来实现。
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lc传感器结构的两个浮动电感器形成电感和电容高度耦合的lc系统，因为它们对准并且非常靠近(即它们之间的薄膜厚度导致非常高的耦合系数k
传感器
～1)。
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如本文所述，本发明使得能够以晶片规模生产结合了高柔性导电层的高柔性薄膜器件，不同层上的多个导电图案非常精确地对准，如本文所述的lc无线传感器的电感结构所示例的，并且还使得能够生产具有可以在器件阵列上调整和变化的参数的传感器微结构。
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在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，可以进行改进和修改。