一、引言
近年来，干型光刻胶（PR）的应用日益受到关注，主要用于电镀模具或微流控结构的制造干簧传感器。通过堆叠多个层，实现了3D流体通道。本文提出将这种材料应用于反向加工工艺中，用于化学传感器的封装。所提出的方法旨在与箔片级大规模制造兼容。由于涉及的材料特性，标准键合技术（如共晶键合、阳极键合或熔融键合）因高温要求及与卷对卷工艺的不兼容性而无法使用。低温键合技术（如焊接、超声键合或胶粘剂键合）也得到了发展。前两种方法通常需要金属层来实现部件间的可靠焊接，而对于胶粘剂键合，聚合物材料通常需通过旋涂以达到均匀厚度。因此，这些键合技术可能与化学传感器中已有的聚合物或功能层等结构不兼容。
在本文中，永久性干膜光刻胶先进行图案化处理，再进行层压干簧传感器。该工艺实现了干法制造步骤，从而避免了敏感层的污染或损坏。其在低温下无需中间粘结层的加工方式简化了制造过程，尤其适用于聚合物基板上生产的器件。由于与卷对卷工艺兼容，该技术保留了箔片级器件制造带来的成本降低优势。
二、实验
干型光刻胶反向加工的概念通过在聚酰亚胺片上制造的金属氧化物（MOX）气体传感器的箔片级封装进行了验证干簧传感器。这些器件及其制造过程在[4,5]中有详细描述。它们由气体敏感层（金属氧化物）组成，该层在暴露于氧化性气体（O₂、NO₂等）或还原性气体（CH₄、CO、NH₃等）时电阻会发生变化。为增强化学反应并降低该层的电阻，通过埋入的铂基微加热元件利用焦耳效应产生热量，使器件在300°C的典型温度下工作。
为保护活性区域免受污染物影响，在传感区域上方沉积了一层透气膜干簧传感器。为避免传感器工作时烧毁，使用干型光刻胶制成的隔离环作为边缘间隔物将其隔开。封装器件的概念如图1所示。
图1：封装后气体传感器的横截面示意图干簧传感器。
用作间隔物的边缘隔离环由50微米厚的永久性干膜光刻胶制成干簧传感器。为获得所需结构，负型干型光刻胶层在仍附着于聚乙烯（PE）操作膜上时，通过标准光刻技术以450 mJ/cm²的剂量进行曝光（图2）。曝光后，在热板上于60°C下烘焙10分钟，使曝光区域交联。为显影结构，将膜在丙二醇甲醚醋酸酯（PGMEA）中显影3分钟，然后用异丙醇（IPA）冲洗并通过氮气干燥。
图2：干型光刻胶制成的边缘隔离环的加工过程干簧传感器。(a) 附着在聚乙烯（PE）操作膜上的干型光刻胶；(b) 通过标准光刻技术，利用铬掩膜对膜进行紫外曝光；(c) 显影后操作膜上的边缘隔离环。
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最终封装步骤如图3所示干簧传感器。对齐后，将圆形边缘隔离环在75°C下于压机中层压到包含传感器件的聚酰亚胺箔上，持续3分钟。通过这种方式，由于所开发技术的干法特性，功能材料未受到损坏。剥离操作层后，局部留下3D聚合物结构。最后的制造步骤是在边缘隔离环顶部点胶并手动沉积透气膜。不过，预计未来将采用与大规模加工兼容的方法，如丝网印刷胶水和激光烧蚀膜。
图3：金属氧化物（MOX）传感器的箔片级封装流程干簧传感器。(a) 带有气体传感结构的聚酰亚胺箔；(b) 预图案化边缘隔离环的对齐与层压；(c) 剥离操作膜；(d) 在边缘隔离环上点胶；(e) 沉积透气膜。
三、结果
图4a展示了带有键合边缘隔离环的含传感器聚酰亚胺箔干簧传感器。其内径和外径分别为700微米和1200微米。图4b通过聚酰亚胺箔与干型光刻胶之间电极导电路径的横截面图，显示了组件的良好键合效果。可以观察到聚酰亚胺箔被完全覆盖，因为未发现两个聚合物部件之间存在间隙，这表明封装质量很高。边缘隔离环与基板的粘附力通过胶带测试进行了定性评估，结果显示边缘隔离环无法从聚酰亚胺箔上剥离。完全封装的气体传感器如图4a的插图所示，其中疏水性透气膜被粘贴在聚合物边缘隔离环顶部。
图4：(a) 聚酰亚胺箔上的气体传感器，活性区域周围以层压的边缘隔离环作为间隔物干簧传感器。其内径和外径分别为700微米和1200微米。插图：顶部粘贴有透气膜的气体传感器。(b) 聚酰亚胺箔与边缘隔离环之间电极电互连的扫描电子显微镜（SEM）横截面图。
这种封装技术通过气体测量得到了验证干簧传感器。传感器在相对湿度50%、流速200毫升/分钟的合成空气中暴露于不同浓度（20至100 ppm）的一氧化碳（CO）中。结果如图5所示。所有传感器均表现出良好的对数线性关系，这是金属氧化物气体传感器的典型特性。与未封装的传感器相比，封装使器件的响应时间增加了约50%，根据尺寸不同，响应时间为2-4分钟。
图5：未封装和封装后的气体传感器在250°C下对不同浓度一氧化碳（CO）的响应干簧传感器。
四、结论
本文提出了一种基于干膜光刻胶反向加工的化学传感器封装技术干簧传感器。该技术将干法制造与低温工艺相结合，特别适用于具有敏感层和/或在塑料基板上制造的器件。本文通过聚酰亚胺箔上金属氧化物气体传感器的封装对其进行了验证，但该技术也适用于硅或玻璃等标准基板。此外，这种方法在基板级3D结构化的其他类型微系统的制造和封装中具有强大潜力，例如微流控通道的制造。
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