微型薄膜电阻的制备及研究*

赵 龙，段俊萍，张斌珍，崔建利

（中北大学电子测试技术重点实验室，太原 030051）

日本科学家20多年前在制备碳纤维的实验过程中首次发现了碳纳米管（Carbon Nanotube）［1］，碳纳米管不仅具有高的电导率和大的长径比［2］，同时还具有高导热性、高机械强度、低质量密度以及高拉伸模量等特点［3-4］。由于碳纳米管的尺寸比较小，只有均匀分散于高分子基体材料中其优良性质才能体现出来［5-10］。利用碳纳米管优异的导电性来填充高分子材料的研究已经成为当今的热点之一，填充后的复合材料尤其在电磁波传输和力学性能等方面表现优异［11-13］，同时碳纳米管和各种聚合物材料混合制造也逐渐应用到了MEMS领域。

常用的电阻制备方法有薄膜蒸发沉积法、磁控溅射法和浆料法［14-16］，前两种方法对设备和温度要求较高，工艺相对复杂，而浆料法制备的电阻体积较大，大都在毫米级别。市场上可以购买到的贴片电阻最小为0201，尺寸为200 μm×400 μm，该尺寸大大限制了其在微型器件上的广泛使用。

1 微型电阻的制备

SU-8是美国MICRO CHEM公司生产的一种环氧树脂，SU-8 2002是粘稠度较低的负性光刻胶，易于与碳纳米管混合；SU-8 2150是粘稠度很高的环氧树脂，适用于制作高深宽比主模结构，交联的SU-8（紫外曝光或热固化）具有高度耐化学腐蚀和热稳定性，用SU-8 2002作为填充材料混合有碳纳米管的复合材料制备微型电阻工艺流程如图1所示。

图1 微型电阻制作流程图

加工过程包括以下几个步骤：（1）准备两寸长的硅片，硅片的清洁度将影响匀胶的平整度和基底的粘附性，因此需要通过丙酮、无水乙醇、去离子水3次反复清洗，清洗时使用超声设备；（2）将SU-8 2150均匀旋转涂布到硅片上；（3）烘干后曝光、显影得到SU-8主模；（4）将配比比例为5：1（PDMS：固化剂）的PDMS倒入SU-8主模，加热固化；（5）脱模得到PDMS负膜，然后将碳纳米管与SU-8 2002的复合材料倒入PDMS负膜。（6）最后进行热压处理完成整体工艺。

1.1 SU-8主模结构的制备

首先通过SU-8 2150厚胶的UV-LIGA工艺来制作完成主模，为了增加光刻胶与硅片的粘附性，将2寸长的硅片按顺序经过丙酮、无水乙醇和去离子水清洗，然后放到电热板上在120℃烘烤20 min；完成了清洗工作后，使用匀胶机将SU8-2150旋转涂层到硅片上，匀胶机在500 r/min旋转10 s、1 650 r/min 旋转30 s，获得大约400 μm的SU-8层；然后将完成匀胶的硅片放置在热板上，为了使SU-8内应力在烘烤时缓慢释放，我们采取缓慢升温过程，每5℃保持5 min，在65℃保持10 min，在95℃保持4 h，随后缓慢降温，降到室温；将刻有图形的掩膜板与硅片对准贴在一起在光刻机下进行紫外曝光，曝光剂量为800 mJ/cm2；光刻完成后进行后烘处理，同样采用阶梯式缓慢升降温；紧接着将硅片放入SU-8显影液进行显影，为了提高显影速度，我们将装有显影液的培养皿放入超声设备SB-5 200DNT进行超声处理，使小结构底部充分显影，加快显影速度；显影完全后用去离子水清洗，氮气吹干，在热板120℃烘烤10 min，得到SU-8主模结构，长度和宽度的尺寸为200 μm×200 μm，图2为主模结构的电镜图。

图2 SU-8主模结构电镜图

SU-8完成的微结构尺寸可以做到微米级别，侧壁垂直度高，制作工艺相对机械加工简单易行。

1.2 PDMS的制备

PDMS聚合物采用一种Sylgard184 kit（Dow Corning，MI），不同比例的PDMS都有很好的粘附强度，加热凝固，PDMS密封的最佳状态是PDMS预聚物和固化剂比例10∶1和5∶1，固化温度和固化时间将影响PDMS密封强度［17］。首先，准备两种不同比例的PDMS，一种比例为5∶1，另一种比例为10∶1，将两种比例的PDMS预聚物放入真空干燥箱脱气15 min除去预聚物中的气泡，接着将比例为5∶1的PDMS倒入SU-8主模，静置20 min后置于烘箱中75 ℃烘烤2 h后取出脱模［18］，PDMS（10∶1）倒入到2寸硅片上以同样的方法制得盖片。图3为PDMS负膜的电镜图。

图3 PDMS负膜

采用PDMS制备的模型易于与SU8主模结构分离，脱模后结构完整。其优异的疏水特性易于与复合材料的脱模。

1.3 复合薄膜的制备

将不同比例的碳纳米管和PDMS混合制备，我们选取纯度为98%，管长为10 mm到30 mm的碳纳米管，碳纳米管与SU-8 2002以下面4种比例混合（1）0.05 g∶0.5 g；（2）0.07 g∶0.5 g；（3）0.1 g∶0.5 g；（4）0.2 g∶0.5 g。为了复合材料的均匀性，我们采用SB-5 200DNT超声设备进行了4 h的超声处理，将处理好的复合材料压入PDMS负膜，再将PDMS盖片放在上方进行热压处理，处理温度为95℃，时间为6 h，如图4所示为热压后的微型电阻。

热压后的电阻进行脱模，在脱模过程中发现，碳纳米管质量比较小时，微型电阻难以从PDMS模具中脱模，因此采用了接触角测试仪，对不同比例复合薄膜样品进行了表面测试工作，测试结果如图5所示。

图5 不同比例微型电阻的接触角测试

图4 热压后的微型电阻

图5（a）碳纳米管质量比为9%的样品，图5（b）碳纳米管质量比为17%的样品，图5c碳纳米管质量比为29%的样品，3种薄膜的接触角分别为76℃、109℃和136℃。说明碳纳米管和SU8混合后表面呈现疏水特性，随着碳纳米管浓度的增加，疏水性增强，测试结果与实验中得到的结果一致，碳纳米管浓度越低越难从PDMS中脱模。

2 测试结果和讨论

通过扫描电镜对制备好的复合薄膜表面形貌进行了观察，如图6所示。

图6 复合薄膜微型电阻电镜图：

测试结果显示：如图6（a）碳纳米管的浓度较高时，复合材料没有经过热压处理，出现开裂和团聚现象；图6（b）显示搅拌均匀碳纳米管复合材料，然后经过热压，复合薄膜表面平整，碳纳米管均匀分布于SU-8的表面，显示出良好的连续性。

2.1 复合材料的导电性研究

SU-8为绝缘材料，碳纳米管的填充量对复合薄膜电阻率有很大的影响，电阻率由RST-9四探针台来测量，探针长度是3 mm，探针间距1 mm，探针直径0.5 mm，所有电极都是由碳化坞针制成。由于探针之间尺寸较大，我们采用上述方法，制备了1 cm×1 cm的复合薄膜样品来测量电阻率，电阻率ρ随导电碳纳米管填充量的变化如图7所示。

图7 碳纳米管浓度对电阻率的影响

随着导电碳纳米管填充量的增加，电阻率急剧降低，当碳纳米管的比例为9%时，电阻率为0.55 Ω·m，当碳纳米管含量为12%时，电阻率减小到0.06Ω·m，说明复合材料的逾渗阈值为9%～12%之间。阈值达到后，继续增加碳纳米管，复合材料的电阻率随碳纳米管含量的增加而缓慢减小，趋于稳定。这是由于复合材料完全固化后，SU-8中溶剂的挥发和树脂的固化而引起积收缩，碳纳米管之间形成稳定连续的接触。随着碳纳米管填充量的增加，表层导电网络更加密集，在电场的作用下电子通过隧道效应而导电，从而使复合薄膜的电阻率急剧下降。当碳纳米管比例超过一定值后，再加入的碳纳米管对形成的导电通道的影响明显减小，电阻率降低较为平缓。

2.2 温度对导电性能的影响

为了更好地反映薄膜本身的性质，计算其热敏特性，我们测试了复合材料制备的电阻随温度变化特性，如图8所示。

采用碳纳米管的质量比为17%的样品进行测试。由于系统的工作温度会有小幅的变化，因此测试温度区间从5℃到180℃。测试结果显示，随着温度的升高，电阻值会有小幅度的下降。并具有线性特征，表明碳纳米管在温度变化较小的环境下可以作为电阻使用。

图8 复合材料电阻样品与温度的关系

2.3 电阻与频率的关系

电阻在使用过程中经常会遇到工作频率发生变化，频率特性可以通过安捷伦阻抗分析仪进行了测试，如图9所示。

图9为复合薄膜的阻抗扫频测试结果，低于1.2 GHz时薄膜的阻抗比较稳定，当频率不断升高，薄膜的电阻值变大，测试结果说明复合材料制备的电阻可以在低频段器件中使用。

图9 薄膜阻抗扫频测试结果

3 结论

提出一种新颖的快速复制微型电阻的加工新方法，采用SU-8 2002和碳纳米管复合材料，主模由SU-8 2150光刻工艺完成，负膜采用PDMS制备，该方法解决了许多不同组件集成问题。采用低温烧结而成，物理尺寸可以达到微米级别。实验证明使用这种新技术可以制备出各种阻值、物理尺寸的微型电阻，与其他技术相比，该技术具有低成本、操作简单、批量生产等优点，该实验为电阻应用于低频MEMS微波电路提供了理论依据。

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赵 龙（1991-），男，汉族，山西运城人，中北大学，研究生，主要研究微纳技术与仪器制造、微波无源器件的研究工作，18334792157@163.com；

张斌珍（1974-），男，山西岚县人，博士后，教授，1997年于华北工学院获得学士学位，2003年于华北工学院获得硕士学位，2006年于北京理工大学获得博士学位，主要研究方向为微纳机电系统（MEMS/NEMS）和恶劣环境下的动态测试技术，在此领域内先后开展了微纳器件和系统的设计制造、微弱信号检测与处理以及恶劣环境下存储测试理论与技术的研究，zhangbinzhen@nuc.edu.cn。

段俊萍（1979-），女，汉族，山西清徐人，中北大学，讲师，主要研究主要研究微纳技术与仪器制造、微波无源器件的研究工作，duanjunping@nuc.edu.cn；