CN103968997A - 一种soi微型皮拉尼计及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微型皮拉尼计，属于微机电系统封装的真空度检测领域。该皮拉尼计的硅结构在器件层8上制作，主要包括加热和散热两部分结构；加热结构由两根呈周期梯形弯曲的加热体5组成；所述散热结构由三部分组成：侧面两个相互对称的两侧散热体2和一个中间散热体梳齿3；两侧散热体梳齿2、中间散热体梳齿3分别与加热体5相互咬合。有益效果：加热体与锚点有四个连接点，与相同长度的加热体相比，增强了其机械强度；工艺过程中不存在键合、淀积等工艺，避免了加热体由于热膨胀导致的塌陷、折断等问题；散热体除了器件层的结构外，基底同时也作为散热体，且加热体与竖直方向夹角为（2±1）°，有利于散热，从而缩短了皮拉尼计的响应时间。

Description

一种SOI微型皮拉尼计及其制作方法

一、技术领域

本发明涉及一种微型皮拉尼计,属于微机电系统（MEMS）封装的真空度检测领域。

二、背景技术

微机电系统（以下简称MEMS）技术是一种新兴的多学科交叉的高科技领域。MEMS与不同的技术结合，产生了大量的新型微器件，如微谐振器、微陀螺仪、微加速度计等。大多MEMS器件在使用前都需要通过真空封装来减小工作环境中的空气阻尼，提高品质因数，以增强其性能。然而，一般真空环境中真空压力并不等于MEMS器件中真空腔体的压力。因此，寻找一种检测MEMS器件内部真空度的方法非常重要。同时这也是衡量MEMS器件真空封装好坏的一个标准。

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值检测法、谐振器Q值检测法和薄膜变形法。这三种方法或多或少都存在一定的问题，其中，He值检测法需要非常精密的检测仪器，成本较高，而且不能进行实时在线检测。Q值检测法主要是通过测量MEMS器件的Q值，再通过公式反推来估计真空度，需要较为复杂的外围电路。薄膜变形法是根据MEMS器件外层薄膜的形变来衡量真空度，该方法需要器件有外层薄膜，应用范围受到限制。

近年来，随着国内外研究机构对MEMS器件内部真空度检测的研究，皮拉尼计提出并应用到MEMS器件的真空度检测。皮拉尼计是基于气体导热量与气压相关的原理进行工作的。在工作过程中，通以电流的加热体温度会随真空度的变化而发生改变，温度的改变又会导致加热体的电阻发生变化，通过测量电阻便可以测量真空度。

中国专利CN101256105A中描述了一种单晶硅横向微型皮拉尼计，这种皮拉尼计包括衬底和硅结构，硅结构与衬底通过键合的方式成为一个整体。硅结构分为散热结构和加热结构两部分，散热结构是两个相互对称的、梳齿状的散热体，散热结构通过锚点与衬底固定；加热结构呈弯曲形状，环绕在散热体和梳齿之间，加热体的两端通过锚点与衬底固定。硅结构与衬底通过键合整合，键合时温度较高，容易引入残余应力，使热阻变形，而且由于加热体的热膨胀，可能导致加热体坍塌、折断，产量低。中国专利CN101608962A中描述了一种以金属作为加热体的微型皮拉尼计，这种皮拉尼计包括衬底、隔热层、绝缘层、加热体四部分。制作时，先在衬底上淀积氮化硅或者二氧化硅，形成隔热层和绝缘层，然后在绝缘层上溅射金属附着层及金属加热体。虽然金属加热体的线性度较好，但也存在一些不足，其制作工艺过于复杂，而且成本较高，产量低。

三、发明内容

为了简化制作工艺、降低成本、提高成品率，同时避免加热体制作过程中出现塌陷、折断，本发明提出了一种SOI微型皮拉尼计及其制作方法。该皮拉尼计制作工艺简单，成品率高，具有较高的机械强度和灵敏度，而且性能稳定，其制备工艺与MEMS器件的制备同步。

本发明的技术方案如下：

SOI微型皮拉尼计是在SOI结构上制作而成。SOI结构如图3（1）所示分为三层，分别为器件层8、绝缘层9、基底层10，三者为一个整体。皮拉尼计的硅结构在器件层8上制作，硅结构主要包括厚度一致的加热结构和散热结构两部分；所述加热结构由两根呈周期梯形弯曲的加热体5组成；加热体5的梯形弯曲梯度为（2±1）°；两根加热体5通过两端的加热体锚点6与基底固定；所述散热结构由三部分组成：侧面两个相互对称的两侧散热体2和一个中间散热体梳齿3；两侧散热体梳齿2、中间散热体梳齿3分别与加热体5相互咬合，相互之间间距与绝缘层9的厚度一致，两个两侧散热体梳齿2通过两侧散热体锚点1、中间散热体梳齿3通过中间散热体锚点4固定在基底上。

工作原理：皮拉尼计工作时，在电极7上施加恒定的电流，加热体5为单晶硅，具有一定的电阻，从而产生焦耳热。加热体5产生的热量，分三部分散发出去。一部分通过加热体锚点6与绝缘层9进行热传导，通过这种方式散发的热量为一定值，不受真空度大小的影响；一部分由加热体5通过周围的气体将热量热对流传递到两侧散热体梳齿2和中间散热体梳齿3进行散热，通过热对流散发的热量占主要地位，而且真空度的大小与散热的多少有关；还有一部分热量通过热辐射的方式散发到外界，这种方式散发的热量在温度较低的情况下可以忽略。因真空度不同，加热体5的稳态温度不同，且加热体5的电阻是随着温度变化的。所以只要测出加热体5的电阻大小，就可以反推得到加热体5的稳态温度，最终得到器件内部的真空度大小。

相对CN101256105A专利中提到的单加热体而言，本发明的有三个优点。第一个优点是：结构强度高。为了增大皮拉尼计的量程，加热体5的总长度会做的比较长，而加热体5的支撑完全靠两端的锚点，那么由于加热体自身重力的关系，制作过程中非常容易发生坍塌、结构断裂等问题，从而降低了成品率。本发明中增加了支撑锚点，两端分别有2个支撑点，这样便可以在保证相同加热体长度的同时，增强加热体结构强度，防止加热体5由于自身重力发生结构塌陷、断裂等问题，从而提高成品率。第二个优点是：响应快，灵敏度高。皮拉尼计在工作的过程中，希望响应时间短、灵敏度高。根据皮拉尼计的工作原理可知，器件响应时间的长短、灵敏度的高低与加热体5的散热快慢有关。在保证真空度相同的情况下，采用两根加热体，可以在四周布置更多的散热体梳齿，如图1中的两侧散热体梳齿2、中间散热体梳齿3，那么在器件产生相同热量的情况下，更容易达到稳态温度。因而与单根加热体相比，采用两根加热体5有利于增大散热效率，降低响应时间、提高器件的灵敏度。第三个优点是：本发明的加热体采用了梯形周期结构，可靠性更高。皮拉尼计工作原理是测量器件的稳定后的电阻，从而推知真空度的大小。那么所测得的电阻的大小直接关系到测量结构的可靠性。采用矩形周期结构，器件在散热的时，水平方向散发的热流与竖直方向散发的热流会在加热体5的拐角处聚集，造成拐角处的温度高于其他位置的高度，那么加热体5的温度便很难保持一致，那么测量到的电阻值及真空度便缺乏可靠性。而采用梯形周期结构，增加了加热体的拐角，增大了与散热体梳齿2、3的对流面积，使得热量可以更好的散发出去，保证了加热体温度的一致性，从而提高了器件的可靠性。

本发明提出的SOI微型皮拉尼计制作方法包括以下步骤：

a.清洗SOI，去除SOI表面的原生氧化层；

b.对SOI进行ICP干法刻蚀，形成皮拉尼计硅结构；

c.溅射金属电极；

d.湿法腐蚀释放硅结构。

本发明的有益效果是：采用ICP干法刻蚀工艺直接形成硅结构，工艺简单；加热体与锚点有四个连接点，与相同长度的加热体相比，增强了其机械强度；工艺过程中不存在键合、淀积等工艺，避免了加热体由于热膨胀导致的塌陷、折断等问题；散热体除了器件层的结构外，基底同时也作为散热体，且加热体与竖直方向夹角为（2±1）°，有利于散热，从而缩短了皮拉尼计的响应时间，提高了灵敏度和可靠性；同时成本低，成品率高，可用于微型腔体内真空度实时监测。

四、附图说明

图1为本发明SOI微型皮拉尼计的俯视图；

图2为本发明SOI微型皮拉尼计的截面图；

图3为本发明SOI微型皮拉尼计的制备工艺流程图；

图3（1）为SOI结构示意图；

图3（2）为ICP干法刻蚀后，形成硅结构的示意图；

图3（3）为溅射金属电极后的示意图

图3（4）为用HF湿法腐蚀释放后的示意图

图中

1—两侧散热体锚点 2—两侧散热体梳齿 3—中间散热体梳齿

4—中间散热体锚点 5—加热体 6—加热体锚点

7—金属电极 8—器件层 9—绝缘层

10—基底层

五、具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本实例采用的SOI结构为：器件层8为单晶硅，厚度50μm；绝缘层9为二氧化硅，厚度4μm；基底层10为单晶硅，厚度500μm。加热体与竖直方向夹角为3°，加热体长度为10mm，宽度为30μm，散热体梳齿与加热体间隙为5μm。

该实施例的制备方法，顺序包括如下步骤：

（1）如图3（1）所示，取一片SOI硅片，清洗SOI，去除SOI表面的原生氧化层；

（2）如图3（2）所示，光刻出皮拉尼计硅结构图形；对SOI进行ICP干法刻蚀，刻蚀深度为50μm，形成皮拉尼计硅结构；然后去除光刻胶。

（3）如图3（3）所示，光刻出金属电极图形；溅射一层金属Al或者Au,厚度100nm，从而形成溅射金属电极；然后去除光刻胶。

（4）如图3（4）所示，将图3（3）后的结构放入到HF中进行湿法腐蚀，从而释放硅结构，获得SOI微型皮拉尼计。

本发明中，上述实施例提供了一种优化了的SOI微型皮拉尼计结构和制备方法，本发明不仅仅局限与此实施例，可以根据实际需要和设计要求作出相应的修改，例如散热体梳齿与加热体之间的间隙、加热体的长度、加热体的宽度、加热体与竖直方向之间的夹角可调。

Claims (1)

1.一种SOI微型皮拉尼计，其特征在于，所述皮拉尼计的硅结构在器件层（8）上制作，硅结构主要包括厚度一致的加热结构和散热结构两部分；所述加热结构由两根呈周期梯形弯曲的加热体（5）组成；加热体（5）的梯形弯曲梯度为（2±1）°；两根加热体5通过两端的加热体锚点（6）与基底固定；所述散热结构由三部分组成：侧面两个相互对称的两侧散热体（2）和一个中间散热体梳齿（3）；两侧散热体梳齿（2）、中间散热体梳齿（3）分别与加热体5）相互咬合，相互之间间距与绝缘层（9）的厚度一致，两个两侧散热体梳齿（2）通过两侧散热体锚点（1）、中间散热体梳齿（3）通过中间散热体锚点（4）固定在基底上。