CN112763129A - 一种绝压接触式mems电容薄膜真空计 - Google Patents

一种绝压接触式mems电容薄膜真空计 Download PDF

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成永军
何申伟
孙雯君
习振华
裴晓强
张瑞芳
杨利
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Abstract

本发明公开了一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计,采用接触式结构能够使真空计的测量曲线,即真空度‑电容曲线具有分段线性的特点,解决了感压薄膜大挠度变形非线性的问题,提升了真空计的测量性能;同时,接触式结构可以防止感压薄膜在高压力作用下受到破坏,提高真空规的测量范围。

Description

一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计
技术领域
本发明属于机械设计和真空计量技术领域,具体涉及一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计。
背景技术
真空度的高低通常用气体的压强来表示,气体压强越低,真空度就越高;反之,气体压强越高,真空度就越低。在电容薄膜真空计中,压强改变引起薄膜发生形变,从而引起薄膜与固定电极组成的敏感电容器的电容发生变化,通过测量电容以及校准就可以确定气体压强。和其他类型的真空计相比,电容薄膜真空计具有测量准确度高、线性好、输出的重复性和长期稳定性好、能够测量气体全压力、测量结果和气体成分无关的特点。基于MEMS技术的电容薄膜真空计采用具有良好力学和电学性能的单晶硅薄膜,替代传统的电容薄膜真空计采用的金属薄膜或者陶瓷薄膜,实现真空计的集成化和小型化。在拥有传统的电容薄膜真空计特点的基础上,还具有体积小、重量轻、功耗低以及可批量化生产的优点。这种真空计不仅可以替代传统的电容薄膜真空计,同时也可以满足深空探测、风洞试验、临近空间探测和生物医学等对真空测量仪器具有小型化、低功耗要求的新兴领域。
发明内容
有鉴于此,本发明提供了一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计,能够实现1~1000Pa范围绝对真空度的测量,具有分段线性的特征,测量分辨率优于0.5Pa。
本发明提供的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计,包括:上基底、挡块、吸气剂薄膜、感压薄膜、固定电极引出槽、硅基、测量端进气口、引出电极、固定电极及下基底;
所述硅基上开设所述固定电极引出槽;所述测量端进气口位于所述硅基中贯通硅基的底部凹槽和所述固定电极引出槽;
所述上基底的下表面与所述硅基的上表面密封连接,所述上基底的下表面与所述硅基上表面的凹槽围成真空参考腔;所述挡块的上表面与所述上基底的下表面固定连接位于所述真空参考腔内,所述吸气剂薄膜位于所述挡块的下表面,所述感压薄膜位于所述硅基的凹槽底部;
所述下基底的上表面与所述硅基的下表面密封连接,所述下基底的上表面与所述硅基下表面的凹槽形成测量端腔室;所述固定电极位于所述测量端腔室内,所述固定电极的下表面与下所述基底的上表面固定连接;所述引出电极穿过所述测量端进气口将所述固定电极的电信号引出。
进一步地,所述感压薄膜为正方形薄膜,所述感压薄膜的宽度与厚度的比值大于设定阈值,所述感压薄膜的材料为基于浓硼掺杂的单晶硅。
进一步地,所述感压薄膜的制作工艺为各向异性腐蚀和自停止腐蚀。
进一步地,所述感压薄膜与吸气剂薄膜之间的间隙小于感压薄膜在真空度测量范围上限的最大挠度。
进一步地,所述感压薄膜与所述吸气剂薄膜之间的间隙为4μm。
进一步地,所述真空参考腔的真空度维持在10-2Pa以上。
进一步地,所述吸气剂薄膜为非蒸散型吸气剂薄膜。
进一步地,所述电容薄膜传感器与前端电路板电气连接且贴附于所述前端电路板上,所述前端电路板固定于真空计壳体内部;所述真空计壳体内壁具有温度控制层;
所述真空计壳体上开设壳体测量端接口和电信号输出接口;所述壳体测量端接口用于连通外界待测真空环境;所述电信号输出接口用于将所述前端电路板输出的电信号传输至上位机。
有益效果:
1、本发明采用接触式结构能够使真空计的测量曲线,即真空度-电容曲线具有分段线性的特点,解决了感压薄膜大挠度变形非线性的问题,提升了真空计的测量性能;同时,接触式结构可以防止感压薄膜在高压力作用下受到破坏,提高真空规的测量范围。
2、本发明采用的感压薄膜为正方形薄膜,且感压薄膜为大宽厚比薄膜,因此能够增大真空计的灵敏度,增大基础电容,减小电容边缘效应的影响。
3、本发明采用固定电极及绝缘层尺寸略小于感压薄膜尺寸的方式,使有效电容为固定电极与感压薄膜正对面积组成的平行板电容器,能够避免感压薄膜边缘应力集中产生的挠度变化不均匀所导致的电容变化不规律的问题,同时进一步消除电容的边缘效应,提高了真空规的测量精度。
4、本发明采用的真空参考腔内为高真空环境,真空度维持在10-2Pa以上,使真空计在测量下限也具有高的分辨率;采用非蒸散型吸气剂薄膜保证了参考真空腔内真空度的长期维持,提升了真空计的长期可靠性。
5、本发明将真空计传感器与前端处理电路封装在一起,通过将真空计与前端处理电路放置的足够接近,来抑制寄生耦合电容对测量的影响,同时使得真空规的结构更紧凑。
附图说明
图1为本发明提供的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计的结构剖面图。
图2为本发明提供的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计的俯视图。
图3为本发明提供的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计的整体封装示意图。
其中,1-上基底,2-挡块,3-吸气剂薄膜,4-真空参考腔,5-感压薄膜,6-测量端腔室,7-固定电极引出槽,8-硅基,9-测量端进气口,10-引出电极,11-固定电极,12-下基底,13-薄膜电极引出槽,14-壳体测量端接口,15-电信号输出接口,16-温度控制层,17-真空计壳体,18-传感器,19-前端电路板。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例,对本发明进行详细描述。
本发明提供的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计,其结构如图1所示,具体包括:上基底1、挡块2、吸气剂薄膜3、真空参考腔4、感压薄膜5、测量端腔室6、固定电极引出槽7、硅基8、测量端进气口9、引出电极10、固定电极11及下基底12。其中,硅基8上开设固定电极引出槽7;测量端进气口9位于硅基8中贯通硅基8的底部凹槽与固定电极引出槽7;
上基底1的下表面与硅基8的上表面密封连接,上基底1的下表面与硅基8上表面的凹槽围成真空参考腔4;挡块2的上表面与上基底1的下表面固定连接位于真空参考腔4内,吸气剂薄膜3位于挡块2的下表面,感压薄膜5位于硅基8的凹槽底部;
下基底12的上表面与硅基8的下表面密封连接,下基底12的上表面与硅基8下表面的凹槽形成测量端腔室6;固定电极11位于测量端腔室6内,固定电极11的下表面与下基底12的上表面固定连接;引出电极10穿过测量端进气口9将固定电极11的电信号引出。
本实施例提供的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计,感压薄膜5为大宽厚比薄膜,即薄膜的边长和厚度之比较大,通常需要大于设定的阈值。吸气剂薄膜3与感压薄膜5之间的间隙小于薄膜在测量真空度范围内受压力作用产生的最大挠度。固定电极11及绝缘层尺寸小于感压薄膜5的尺寸。吸气剂薄膜3为非蒸散型吸气剂。固定电极11材料为金。
本实施例提供的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计,俯视图如图2所示,感压薄膜5作为可移动上电极,与作为下电极的固定电极11构成真空规的敏感电容,上电极电信号由薄膜电极引出槽13引出,下电极电信号由引出电极10和固定电极引出槽7引出。其中,感压薄膜5为正方形硅敏感薄膜,薄膜边长为3000μm,厚度5μm。
本实施例中感压薄膜5材料为浓硼掺杂单晶硅,采用各向异性腐蚀和自停止的工艺制作而成,由于浓硼掺杂单晶硅本身为导体,因此,不用镀制电极膜层,薄膜电极引出槽13以及固定电极引出槽7也采用各向异性腐蚀和自停止的工艺在硅基8上制作,其中固定电极引出槽7需要腐蚀至下基底12上表面,而薄膜电极引出槽则腐蚀到和薄膜上表面处于同一水平的位置。固定电极11及引出电极10为正方形金薄膜,采用磁控溅射的方式制作在下基底上,其边长为2500μm,金薄膜不易氧化且能够抗腐蚀,具有很好的稳定性。
本实例中感压薄膜5与吸气剂薄膜3间隙为4μm。
本实例中,上基底1材料为7740玻璃,采用真空键合的方式使得上基底1与硅基8完全密封,形成真空参考腔4。在真空键合之前,需要将溅射了吸气剂薄膜3的挡块2放入上基底1与硅基8之间。在真空键合的过程当中,环境真空度优于10-4Pa,吸气剂也会在键合过程中被激活,当上基底1与硅基8完全键合时,真空参考腔4的真空度维持在10-2Pa左右。绝压接触式MEMS电容薄膜真空规工作时,测量端真空度大于参考端真空度,则感压薄膜会受到外界压力作用而产生挠度变形,进而引起敏感电容发生变化,通过测量电容的变化就可以得到测量端与参考端的真空度之差。大宽厚比的薄膜在受到压力作用时,挠度变形大于普通薄膜,真空规中的敏感电容变化也更明显,真空规具有更优的灵敏度。
进一步地,通过添加挡块2,使感压薄膜5与吸气剂薄膜3间的间隙小于感压薄膜5在测量真空度范围上限时的最大挠度,感压薄膜2在受到压力作用未达到极限挠度变形时就接触到绝缘层,一方面,保护了感压薄膜不受破坏;另一方面,真空度与电容的输出关系曲线出呈现出分段线性,提升了真空规的测量性能。
本发明提供的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计,还包括真空计壳体17、温度控制层16、前端电路板19。真空计壳体17主要包含壳体测量端接口14和电信号输出接口15。传感器18固定于前端电路板19上,采用铝丝压焊的方式实现真空计与电路板的电气连接。壳体测量端接口14可以和外界待测真空环境直接连通。经过前端电路板19处理的电信号由导线通过电信号输出接口15传输至上位机进行进一步处理。真空计壳体17与电信号输出接口15采用胶密封的方式保证良好的密封。温度控制层16固定在真空计壳体17内壁,用于控制真空计工作的温度范围,从而减少因温度变化引起的测量误差。
本发明通过将真空计置于前端电路板19上,一方面,前端电路板19为真空规提供支撑;另一方面,将传感器18与前端电路板19放置的足够接近,从而抑制寄生耦合电容对测量的影响,同时使得真空计的整体工作结构更紧凑。
本发明提供的一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计的整体安装示意图如图3所示,具体安装方式为:首先将利用MEMS技术制作而成的真空规敏感元件固定到前级电路板上,通过铝丝压焊使敏感电容与前端电路板实现电气连接,将前级电路板置于壳体中并固定,将前级电路板输出信号线通过壳体电极引出孔引出,并采用胶密封的方式实现真空计壳体17与电信号输出接口15的密封。
本发明的绝压接触式MEMS电容薄膜真空计能够实现1~1000Pa范围绝对真空度的测量,测量准确度高、线性好、输出的重复性和长期稳定性好,同时具有体积小、重量轻、功耗低、制作工艺与集成电路IC兼容,便于集成化批量生产等优点,可以应用于深空探测、风洞实验以及生物医学等对真空测量仪器有小型化要求的领域中。
综上所述,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种绝压接触式MEMS电容薄膜真空计,其特征在于,包括:上基底(1)、挡块(2)、吸气剂薄膜(3)、感压薄膜(5)、固定电极引出槽(7)、硅基(8)、测量端进气口(9)、引出电极(10)、固定电极(11)及下基底(12);
所述硅基(8)上开设所述固定电极引出槽(7);所述测量端进气口(9)位于所述硅基(8)中贯通硅基(8)的底部凹槽和所述固定电极引出槽(7);
所述上基底(1)的下表面与所述硅基(8)的上表面密封连接,所述上基底(1)的下表面与所述硅基(8)上表面的凹槽围成真空参考腔(4);所述挡块(2)的上表面与所述上基底(1)的下表面固定连接位于所述真空参考腔(4)内,所述吸气剂薄膜(3)位于所述挡块(2)的下表面,所述感压薄膜(5)位于所述硅基(8)的凹槽底部;
所述下基底(12)的上表面与所述硅基(8)的下表面密封连接,所述下基底(12)的上表面与所述硅基(8)下表面的凹槽形成测量端腔室(6);所述固定电极(11)位于所述测量端腔室(6)内,所述固定电极(11)的下表面与下所述基底(12)的上表面固定连接;所述引出电极(10)穿过所述测量端进气口(9)将所述固定电极(11)的电信号引出。
2.根据权利要求1所述的电容薄膜真空计,其特征在于,所述感压薄膜(5)为正方形薄膜,所述感压薄膜(5)的宽度与厚度的比值大于设定阈值,所述感压薄膜(5)的材料为基于浓硼掺杂的单晶硅。
3.根据权利要求1所述的电容薄膜真空计,其特征在于,所述感压薄膜(5)的制作工艺为各向异性腐蚀和自停止腐蚀。
4.根据权利要求1所述的电容薄膜真空计,其特征在于,所述感压薄膜(5)与吸气剂薄膜(3)之间的间隙小于感压薄膜(5)在真空度测量范围上限的最大挠度。
5.根据权利要求4所述的电容薄膜真空计,其特征在于,所述感压薄膜(5)与所述吸气剂薄膜(3)之间的间隙为4μm。
6.根据权利要求1所述的电容薄膜真空计,其特征在于,所述真空参考腔(4)的真空度维持在10-2Pa以上。
7.根据权利要求1所述的电容薄膜真空计,其特征在于,所述吸气剂薄膜(3)为非蒸散型吸气剂薄膜。
8.根据权利要求1~7任意一项所述的电容薄膜真空计,其特征在于,所述电容薄膜传感器(18)与前端电路板(19)电气连接且贴附于所述前端电路板(19)上,所述前端电路板(19)固定于真空计壳体(17)内部;所述真空计壳体(17)内壁具有温度控制层(16);
所述真空计壳体(17)上开设壳体测量端接口(14)和电信号输出接口(15);所述壳体测量端接口(14)用于连通外界待测真空环境;所述电信号输出接口(15)用于将所述前端电路板(19)输出的电信号传输至上位机。
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