CN101608962B - 一种微型皮拉尼计 - Google Patents
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Abstract
一种微型皮拉尼计，属于微机电系统的真空度测量器件，克服现有微型皮拉尼计体积大、灵敏度不够高的问题。本发明在硅衬底上具有凹槽，凹槽表面架有隔热层，隔热层表面覆盖绝缘层，绝缘层上溅射有加热体，加热体的两端溅射有金属电极；所述加热体为形状弯曲的铂或镍金属；所述绝缘层材料为氮化硅或二氧化硅；所述隔热层材料为二氧化硅、氮化硅中的一种或两种。本发明体积小、重量轻而且性能稳定，加热体采用金属铂，它的线性度好、性能稳定、灵敏度高、有良好的化学稳定性；其制造工艺简单、成本低、成品率高、可靠性高。适用于各种大小真空封装以及微型腔体中进行真空度实时检测。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(以下简称MEMS)的真空度测量器件，具体涉及一种微型皮拉尼计。
背景技术
基于谐振结构的微陀螺仪、微加速度计、微高精度战术振荡器、微滤波器、微超声波传感器、微生物分子质量检测仪等器件，采用真空封装可以降低机械运动部件运动时气体的阻尼，极大地提高器件的品质因素，从而提高器件的性能，且整个微系统消耗的能量也大大降低。基于热传导原理的非制冷红外探测与成像仪、流量计、微型色谱仪等器件需要真空封装来延长自由粒子的分子平均自由程，抑制传导传热，从而提高器件的灵敏度。MEMS型的真空电子器件，由于电子在真空中的运动速度比在半导体中快1～2个数量级，工作频率可达1THz，可在极高温与低温下工作，可实现大功率输出。绝对压力MEMS传感器需要真空封装形成局部真空来作为绝对压力的近似零点。因此，真空封装技术已成为严重影响这些MEMS器件性能的共性技术与使能技术。真空封装的真空环境中真空压力并不等于MEMS器件中真空腔内的压力，判断真空封装工艺的有效性最直接的方法是检测真空腔内的真空压力。MEMS器件的体积小，一般的真空规不可能实施小型或微型真空腔内真空度的检测。
目前常用的MEMS器件真空度检测方法主要有三种：惰性气体He检测法，谐振器Q值检测法和薄膜变形法。He值检测法需要非常精密的检测仪器，成本较高，测试精度较低，而且不能进行在线实时观察腔体内真空度变化。Q值检测法主要采用测量真空封装内MEMS器件的Q值，再通过公式反推来估计真空封装腔内的真空度，反推公式误差较大、而且还受到外围电路复杂以及低压下敏感度较低等缺点的限制。薄膜变形法是测量真空腔外层薄膜的形变，该方法需要外层薄膜，而很多器件没有这样的薄膜结构，无法采用该方法进行内部真空度的测量。因此提出一种精度较高、制造工艺和测试都较为简单的真空检测器件--皮拉尼计，它是基于通以电流的热膜温度随真空(压力)而变化，由于温度的改变导致热膜电阻的变化，因此用测量电阻的变化来测量真空。
北京大学于2008年3月11日提出公开号CN101256105A、名称为“单晶硅横向微型MEMS皮拉尼计及其制备方法”的专利申请，公开一种应用于真空度测量的微型皮拉尼计，这种皮拉尼计包括衬底和一硅结构，硅结构分为散热结构和加热结构两部分，散热结构包括两个相互对称的散热体，每个散热体由一个锚点和与锚点固定连接的若干梳齿构成，散热体之间的梳齿相互咬合，散热结构通过上述锚点与衬底固定；加热结构包括一根环绕在散热体和梳齿间的弯曲加热体，在上述加热体的两端的锚点与衬底固定；整个器件的体积大，难以集成在MEMS器件内，由于加热结构采用硅材料，灵敏度不够高。
发明内容
本发明提供一种微型皮拉尼计，克服现有微型皮拉尼计体积大、灵敏度不够高的问题。
本发明的一种微型皮拉尼计，在硅衬底上具有加热体，其特征在于：
所述硅衬底上具有凹槽，凹槽表面架有隔热层，隔热层表面覆盖绝缘层，绝缘层上溅射有加热体，加热体的两端溅射有金属电极；
所述加热体为形状弯曲的铂或镍金属；
所述隔热层为单层或由两层薄膜堆叠而成；隔热层为单层时为二氧化硅材料，相应绝缘层材料为氮化硅；隔热层由两层薄膜堆叠而成时，上层为氮化硅材料，下层为二氧化硅材料，相应绝缘层材料为二氧化硅。
所述的微型皮拉尼计，其特征在于：
所述金属电极由Ti附着层表面溅射Cu层或Al层或Au层，或Ti附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层，或Cr附着层表面溅射Au层或Cu层或Al层，或Cr附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成。
本发明微型皮拉尼计的制备方法，包括下述步骤：
(1)在硅衬底上溅射隔热层薄膜和绝缘层薄膜，然后腐蚀去除各层薄膜结构的四周部分；
(2)通过腐蚀或者剥离工艺，在绝缘层薄膜表面制备加热体图形；
(3)在加热体两端溅射电极；
(4)用湿法腐蚀工艺在硅衬底上腐蚀出凹槽，在隔热层薄膜下方形成真空空腔，起隔热作用。
本发明的微型皮拉尼计加工完成后，先对皮拉尼计进行标定，再封装在真空系统中。标定时给皮拉尼计电极两端加一定的电信号，测量相应加热体电阻值，得到真空度与电阻值的对应关系。在应用过程中通过测量皮拉尼计的电阻值，就可以得出真空封装体的真空度。
本发明硅衬底与MEMS器件采用同一衬底，体积小、重量轻而且性能稳定，加热体采用金属铂或者金属镍，而铂或镍相对于硅来说线性度好、性能稳定、灵敏度高、有良好的化学稳定性；增加了起隔热作用的隔热层，并直接在MEMS器件的硅衬底上刻蚀出悬空的绝缘体薄膜，能很好地用于真空度测量。其制造工艺简单、成本低、成品率高、可靠性高。由于本发明采用的是直接在硅衬底上加工，克服了MEMS皮拉尼计结构体积大，难以集成在MEMS器件内的缺点，还增加了隔热层，不仅提高了皮拉尼计的灵敏度和精度，而且适用于各种大小真空封装以及微型腔体中，可进行密封腔体内真空度实时检测。
附图说明
图1为本发明的三维示意图；
图2为本发明实施例的截面示意图；
图3(A)为硅衬底示意图；
图3(B)为硅衬底上溅射隔热层薄膜和绝缘层薄膜后的结构示意图；
图3(C)为去除硅衬底上各层薄膜结构的四周部分的结构示意图；
图3(D)为在绝缘层薄膜表面上制备出微型加热体图形的结构示意图；
图3(E)为在加热体两端部分溅射一层电极的结构示意图；
图3(F)为湿法腐蚀掉一部分硅基底，形成凹槽的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明：
如图1所示，本发明的微型皮拉尼计，硅衬底5上具有凹槽，凹槽表面架有隔热层4，隔热层4表面覆盖绝缘层3，绝缘层上溅射有加热体2，加热体的两端溅射有金属电极1。
硅衬底的材料可以是单晶硅，也可以是多晶硅。
凹槽形状可以是矩形或者漏斗形，深度可调。
实施例一，如图2所示，硅衬底5为单晶硅，加热体2为形状弯曲的铂金属；金属电极1由Ti附着层表面溅射Au层构成；
绝缘层3材料为氮化硅，厚度250nm；隔热层4为二氧化硅材料，其厚度1um。
该实施例的制备方法，顺序包括如下步骤：
(1)如图3(A)所示，取一单晶硅片(2”，400um厚，双抛光，(100)取向的)作为衬底5；如图3(B)所示在衬底5表面热氧化二氧化硅薄膜隔热层4，再用低应力化学气相沉积(LPCVD)工艺沉积一层低应力的250nm厚的氮化硅绝缘层3；如图3(C)所示，再用第一掩膜去除隔热层和绝缘层的四周部分；
(2)如图3(D)所示，通过腐蚀或者剥离工艺，用第二掩膜在氮化硅绝缘层3上形成铂加热体2薄膜图形；
(3)如图3(E)所示，在加热体2两端部分溅射一层10nm厚的钛(Ti)附着层，随之溅射一层300nm厚的Au薄膜，用第三掩膜做出电极1的形状；
(4)如图3(F)所示，用湿法腐蚀掉硅衬底的一部分，形成凹槽，获得纵向皮拉尼计结构。
实施例二，当器件的腔体体积大时，用湿法腐蚀掉硅衬底背面的一部分，形成空腔，如图4所示。硅衬底5为单晶硅，加热体2为形状弯曲的铂金属；金属电极1由Ti附着层表面溅射Cu层构成；
绝缘层3材料为氮化硅，厚度250nm；隔热层4为二氧化硅材料，其厚度1um。
实施例三，硅衬底5为多晶硅，加热体2为形状弯曲的镍金属；金属电极1由Ti附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成；
绝缘层3材料为二氧化硅，厚度250nm；隔热层4由两层薄膜堆叠而成，上层为氮化硅材料，厚度500nm，下层为二氧化硅材料，厚度250nm。
由二氧化硅-氮化硅-二氧化硅构成的三明治结构，可以降低应力。
Claims (2)
1.一种微型皮拉尼计，在硅衬底上具有加热体，其特征在于：
所述硅衬底上具有凹槽，凹槽表面架有隔热层，隔热层表面覆盖绝缘层，绝缘层上溅射有加热体，加热体的两端溅射有金属电极；
所述加热体为形状弯曲的铂或镍金属；
所述隔热层为单层或由两层薄膜堆叠而成；隔热层为单层时为二氧化硅材料，相应绝缘层材料为氮化硅；隔热层由两层薄膜堆叠而成时，上层为氮化硅材料，下层为二氧化硅材料，相应绝缘层材料为二氧化硅。
2.如权利要求1所述的微型皮拉尼计，其特征在于：
所述金属电极由Ti附着层表面溅射Cu层或Al层或Au层，或Ti附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层，或Cr附着层表面溅射Au层或Cu层或Al层，或Cr附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成。
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| CN102313625B (zh) * | 2011-05-27 | 2013-01-09 | 北京大学 | 碳纳米管皮拉尼真空计及其真空度检测方法 |
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| CN113324697A (zh) * | 2021-04-16 | 2021-08-31 | 中国科学院微电子研究所 | 微型皮拉尼真空传感器及其制作方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4682503A (en) * | 1986-05-16 | 1987-07-28 | Honeywell Inc. | Microscopic size, thermal conductivity type, air or gas absolute pressure sensor |
| US5347869A (en) * | 1993-03-25 | 1994-09-20 | Opto Tech Corporation | Structure of micro-pirani sensor |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4682503A (en) * | 1986-05-16 | 1987-07-28 | Honeywell Inc. | Microscopic size, thermal conductivity type, air or gas absolute pressure sensor |
| US5347869A (en) * | 1993-03-25 | 1994-09-20 | Opto Tech Corporation | Structure of micro-pirani sensor |
Non-Patent Citations (1)
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