CN112903183B - 一种片上微型电离真空传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种片上微型电离真空传感器及其制造方法，包括片上微型电子源、第一绝缘层、第一收集极、第二绝缘层和第二收集极；片上微型电子源朝向第一绝缘层的一侧具有电子发射结构；第一绝缘层具有第一通孔，第一通孔贯穿第一绝缘层；第一收集极具有第一网孔，第一网孔贯穿第一收集极；第二绝缘层具有第二通孔，第二通孔贯穿第二绝缘层；第二收集极具有第二网孔，第二网孔贯穿第二收集极；第一通孔、第一网孔、第二通孔以及第二网孔相互贯通。本发明采用片上微型电子源代替了常规的灯丝，由于该片上微型电离真空传感器通过微纳加工工艺和键合工艺制备而成，尺寸小，因此，可以扩大电离真空传感器测量真空度的上限，即可以应用在中低真空领域。

Description

一种片上微型电离真空传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及真空度测量技术领域，更具体地说，涉及一种片上微型电离真空传感器及其制造方法。

背景技术

目前，真空度的测量装置主要为电离真空传感器、电容薄膜真空传感器、热电偶真空传感器、电阻真空传感器以及压缩式真空传感器等。

电离真空传感器是目前较为常用的真空传感器，其测量原理是：具有一定能量的电子与真空中的气体分子碰撞，使其电离成离子，然后由离子收集极收集离子，产生离子电流，由电子收集极收集电子，产生电子电流，在一定压强范围内，离子电流和电子电流的比值i与真空中的压强P存在一定的线性关系，这种线性关系可以推算出真空度。

传统电离真空传感器由真空规管和测量电路两部分组成，真空规管主要由电子源、加速极和收集板构成。电子源作为阴极，用于发射电子，通常由灯丝制备；加速极通过电势差加速电子，使之具有更高的能量与空气分子碰撞，从而发生电离；收集板用于收集空气分子电离的离子，通过测量离子电流，进而确定真空度。传统电离真空传感器主要应用在高真空领域，测量范围通常在10^-1Pa以下，这是因为传统电离真空传感器尺寸大，有利于电子做往返运动或螺旋运动，增大与气体分子的碰撞次数，进而测量高真空下的离子电流。

如果真空度比较低，空气压强在10^-1Pa以上，此时灯丝极易烧断，而且需要缩小真空规管的尺寸，在实际生产中，由于热膨胀，很难缩小真空规管的尺寸，所以传统电离真空传感器很少应用在中低真空领域。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种片上微型电离真空传感器及其制造方法，以提供一种可应用在中低真空领域的电离真空传感器。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种片上微型电离真空传感器，包括片上微型电子源、依次设置在所述片上微型电子源一侧的第一绝缘层、第一收集极、第二绝缘层和第二收集极；

所述片上微型电子源朝向所述第一绝缘层的一侧具有电子发射结构；

所述第一绝缘层具有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述第一绝缘层；

所述第一收集极具有第一网孔，所述第一网孔贯穿所述第一收集极；

所述第二绝缘层具有第二通孔，所述第二通孔贯穿所述第二绝缘层；

所述第二收集极具有第二网孔，所述第二网孔贯穿所述第二收集极；

所述第一通孔、所述第一网孔、所述第二通孔以及所述第二网孔相互贯通，以使所述电子发射结构发射的电子通过所述第一通孔和所述第一网孔并进入所述第二通孔后，与通过所述第二网孔进入所述第二通孔的气体分子碰撞，使气体分子电离成离子；

所述第一收集极用于收集电子，并产生电子电流；

所述第二收集极用于收集离子，并产生离子电流，以便根据所述电子电流和所述离子电流求出所述片上微型电离真空传感器所处环境的真空度。

可选地，所述片上微型电子源包括片上微型热发射电子源和片上微型隧穿发射电子源。

可选地，所述片上微型热发射电子源包括衬底以及位于所述衬底上的至少一个电子发射结构；

所述电子发射结构包括第一电极、第二电极以及位于所述第一电极和所述第二电极之间的热电子发射体；

所述衬底具有至少一个沟槽，所述热电子发射体部分或全部悬空于所述沟槽之上。

可选地，所述热电子发射体部分悬空于所述沟槽之上；

所述第一电极位于所述沟槽的一侧，且与位于所述沟槽同一侧的热电子发射体连接；

所述第二电极位于所述沟槽相对的另一侧，且与位于所述沟槽同一侧的热电子发射体连接。

可选地，所述第一电极位于所述沟槽的一侧，所述第一电极的延伸部分延伸至所述沟槽的上方；

所述第二电极位于所述沟槽相对的另一侧，所述第二电极的延伸部分延伸至所述沟槽的上方，所述第二电极的延伸部分与所述第一电极的延伸部分交错排布；

所述热电子发射体位于所述第一电极和所述第二电极的延伸部分上且全部悬空于所述沟槽之上。

可选地，所述热电子发射体由以下材料的一种或多种制成：碳纳米管、石墨烯、六硼化镧、六硼化钐、钨、钼、铱、锇、氧化钇、氧化钡、氧化铝、氧化钪以及氧化钙。

可选地，所述片上微型隧穿发射电子源包括衬底以及位于所述衬底上的电子发射结构；

所述电子发射结构包括位于所述衬底表面的阻变材料层、至少一个第一电极和至少一个第二电极，所述第一电极和所述第二电极间隔设置，并且，所述第一电极和所述第二电极位于所述阻变材料层的表面。

可选地，所述阻变材料层具有至少一个通孔，并且所述第二电极通过所述通孔与所述衬底连接。

可选地，所述阻变材料层的材料选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化镁、氧化钇、氧化钪、氧化锗、氧化镧、氧化锶、氧化钙、氧化钡、氧化钛、钛酸锶、铝酸镧、氮化硅、氮化铝、碳化硅、金刚石和非晶碳。

可选地，所述第一和第二电极的材料选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。

可选地，所述衬底选自下列材料中的一种或多种：硅、锗、氧化硅、氧化铝、氧化铍、氮化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅、金刚石、玻璃、陶瓷、金属。

可选地，还包括电路板，所述电路板固定在所述片上微型电子源背离所述第一绝缘层的一侧；

所述电路板背离所述片上微型电子源的一侧具有多个引线管脚，所述多个引线管脚分别与所述片上微型电子源的电极、所述第一收集板和所述第二收集板相连。

可选地，还包括电路控制模块；

所述电路控制模块通过所述电路板与所述片上微型电子源的电极相连，用于为所述电离真空传感器提供驱动电压和电压控制。

一种片上微型电离真空传感器的制造方法，包括：

采用微纳加工工艺制备片上微型电子源；

采用键合工艺将第一绝缘层、第一收集极、第二绝缘层和第二收集极固定在所述片上微型电子源上；

其中，所述第一绝缘层具有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述第一绝缘层；

所述第一收集极具有第一网孔，所述第一网孔贯穿所述第一收集极；

所述第二绝缘层具有第二通孔，所述第二通孔贯穿所述第二绝缘层；

所述第二收集极具有第二网孔，所述第二网孔贯穿所述第二收集极；

所述第一通孔、所述第一网孔、所述第二通孔以及所述第二网孔相互贯通。

可选地，当所述片上微型电子源为片上微型热发射电子源时，采用微纳加工工艺制备片上微型电子源包括：

提供衬底；

对所述衬底进行刻蚀，形成至少一个沟槽；

在所述衬底上形成第一电极和第二电极；

在所述衬底上形成热电子发射体，所述热电子发射体位于所述第一电极和所述第二电极之间，所述热电子发射体部分或全部悬空于所述沟槽之上，且与所述第一电极和所述第二电极连接。

可选地，当所述片上微型电子源为片上微型隧穿发射电子源时，采用微纳加工工艺制备片上微型电子源包括：

提供衬底；

在所述衬底表面形成阻变材料层，并对所述阻变材料层进行刻蚀，形成至少一个通孔；

在所述阻变材料层表面形成至少一个第一电极和至少一个第二电极，所述第一电极和所述第二电极间隔设置，所述第二电极通过所述通孔与所述衬底连接，所述衬底接地。

可选地，还包括：

将所述电路板固定在所述片上微型电子源背离所述第一绝缘层的一侧；

将所述电路板背离所述片上微型电子源的一侧的多个引线管脚分别与所述片上微型电子源的电极、所述第一收集板和所述第二收集板相连。

可选地，还包括：

将电路控制模块安装在所述电路板靠近所述片上微型电子源的一侧；

将所述电路控制模块通过所述电路板与所述片上微型电子源的电极相连。

与现有技术相比，本发明所提供的技术方案具有以下优点：

本发明所提供的片上微型电离真空传感器及其制造方法，采用片上微型电子源代替了常规的灯丝，由于该片上微型电子源可集成，因此，片上微型电离真空传感器具有更高的电子发射效率和电流密度。并且，由于该片上微型电离真空传感器通过微纳加工工艺和键合工艺制备而成，尺寸小，因此，可以扩大电离真空传感器测量真空度的上限，即可以应用在中低真空领域。此外，在实际生产中，该片上微型电离真空传感器可以批量生产，提高了生产效率，降低了生产成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的片上微型电离真空传感器的结构示意图；

图2为图1所示的片上微型电离真空传感器的剖面结构示意图；

图3为图1所示的片上微型电离真空传感器的真空度测量原理图；

图4为本发明一个实施例提供的一种片上微型电子源的立体结构示意图；

图5为图4所示的片上微型电子源的剖面结构示意图；

图6为本发明一个实施例提供的另一种片上微型电子源的立体结构示意图；

图7为图6所示的片上微型电子源的剖面结构示意图；

图8为本发明另一个实施例提供的一种片上微型电子源的立体结构示意图；

图9为图8所示的片上微型电子源的剖面结构示意图；

图10为本发明另一个实施例提供的另一种片上微型电子源的立体结构示意图；

图11为图10所示的片上微型电子源的剖面结构示意图；

图12为本发明另一个实施例提供的另一种片上微型电子源的立体结构示意图；

图13为图12所示的片上微型电子源的剖面结构示意图；

图14为本发明实施例提供的片上微型电离真空传感器的整体结构示意图；

图15为本发明实施例提供的片上微型电离真空传感器的制造方法的流程图；

图16为本发明实施例提供的一种键合电路结构示意图；

图17为本发明实施例提供的另一种键合电路结构示意图。

具体实施方式

以上是本发明的核心思想，为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供了一种片上微型电离真空传感器，主要用于测量所处环境的真空度。如图1所示，该片上微型电离真空传感器包括片上微型电子源1、依次设置在片上微型电子源1一侧的第一绝缘层2、第一收集极4、第二绝缘层6和第二收集极8。

其中，片上微型电子源1朝向第一绝缘层2的一侧具有电子发射结构，该电子发射结构用于发射电子。可选地，片上微型电子源1包括片上微型热发射电子源和片上微型隧穿发射电子源。当然，本发明并不仅限于此，片上微型电子源1还可以是其他类型的片上微型发射电子源。

如图2所示，第一绝缘层2具有第一通孔3，第一通孔3贯穿第一绝缘层2；第一收集极4具有第一网孔5，第一网孔5贯穿第一收集极4；第二绝缘层6具有第二通孔7，第二通孔7贯穿第二绝缘层6；第二收集极8具有第二网孔9，第二网孔9贯穿第二收集极8。

并且，第一通孔3、第一网孔5、第二通孔7以及第二网孔9相互贯通，以使片上微型电子源1上的电子发射结构发射的电子加速通过第一通孔3和第一网孔5并进入第二通孔7后，与通过第二网孔9进入第二通孔7的气体分子碰撞，使气体分子电离成离子。第一收集极4用于收集电子，并产生电子电流；第二收集极8用于收集离子，并产生离子电流，以便根据电子电流和离子电流求出片上微型电离真空传感器所处环境的真空度。

如图3所示，片上微型电子源1的电极外接两电压，即一个电极接地、另一个电极外接正偏压即与外接电源的正极连接，以便产生并发射电子。第一收集极4外接正偏压即与外接电源的正极连接，电压值约为50V～150V，以便收集片上微型电子源1发射的电子。第二收集极8外接负偏压即与外接电源的负极连接，电压值约为-50V～-150V，以便收集气体分子电离形成的离子。由于第一收集极4外接正偏压，因此，片上微型电子源1发射的电子会加速通过第一通孔3和第一网孔5，并与第二通孔7处的气体分子发射碰撞。

需要说明的是，在气体分子电离的过程中，由于第二通孔7内的气体分子与片上微型电离真空传感器外部的气体分子具有浓度差，因此，气体分子会通过第二网孔9持续地进入第二通孔7内，直到片上微型电离真空传感器所处环境的气体分子被全部电离。还需要说明的是，在测量真空度时，片上微型电离真空传感器所处的环境为具有一定真空度的密闭腔体内。

本发明实施例中，第一绝缘层2和第二绝缘层6由绝缘材料制备，该绝缘材料可以是玻璃等，第一收集极4和第二收集极8由导电材料制备，该导电材料可以是硅片等。

可选地，第一通孔3位于第一绝缘层2的中部，第一网孔5位于第一收集极4的中部，第二通孔7位于第二绝缘层6的中部，第二网孔9位于第二收集极8的中部。第一通孔3、第一网孔5、第二通孔7以及第二网孔9对应设置，并且，在片上微型电子源1发射电子的方向上，第一网孔5的面积大于或等于第一通孔3的面积，第二通孔7的面积大于或等于第一网孔5的面积，第二网孔9的面积大于或等于第二通孔7的面积。

需要说明的是，第一网孔5和第二网孔9包括多个连成网状的通孔。可选地，第一通孔3和第二通孔7可以是圆形通孔或方形通孔等，第一网孔5和第二网孔9可以是排列成圆形阵列的网孔或排列成方形阵列的网孔等，且网孔中孔的数目可以等于1。本发明实施例中，仅以第一通孔3和第二通孔7为圆形通孔，第一网孔5和第二网孔9为排列成方形阵列的网孔为例进行说明。

在本发明的一个实施例中，片上微型电子源1为片上微型热发射电子源，如图4所示，该片上微型热发射电子源包括衬底101以及位于衬底101上的至少一个电子发射结构，该电子发射结构包括第一电极103、第二电极105以及位于第一电极103和第二电极105之间的热电子发射体104，热电子发射体104的一端与第一电极103连接，热电子发射体104的另一端与第二电极105连接。

其中，衬底101具有至少一个沟槽102，热电子发射体104与沟槽105一一对应设置，并且，热电子发射体104部分或全部悬空于沟槽102之上，以通过沟槽102对热电子发射体104进行散热。

通过将第一电极103和第二电极105中的一个电极接正压、一个电极接地或接负压，可以给热电子发射体104施加电压，使其被焦耳热加热激活，从而发射电子。其中，采用热电子发射体104阵列即采用多个电子发射结构可以提高发射电流和发射效率。

本发明实施例中，衬底101是由导热性良好的材料制备，可选地，衬底101选自下列材料中的一种或多种：硅、锗、氧化硅、氧化铝、氧化铍、氮化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅、金刚石、玻璃、陶瓷、金属。第一电极103和第二电极105的材料选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。热电子发射体104由以下材料的一种或多种制成：碳纳米管、石墨烯、六硼化镧、六硼化钐、钨、钼、铱、锇、氧化钇、氧化钡、氧化铝、氧化钪以及氧化钙。

在本发明的一个实施方式中，如图4和图5所示，热电子发射体104部分悬空于沟槽102之上，第一电极103位于沟槽102的一侧，且与位于沟槽102同一侧的热电子发射体104连接。第二电极105位于沟槽102相对的另一侧，且与位于沟槽102同一侧的热电子发射体104连接。即第一电极103与热电子发射体104的左端连接，第二电极105与热电子发射体104的右端连接，以便第一电极103和第二电极105向热电子发射体104施加电压。

在本发明的另一个实施方式中，如图6和图7所示，第一电极103位于沟槽102的一侧，第一电极103的延伸部分延伸至沟槽102的上方，第二电极105位于沟槽102相对的另一侧，第二电极105的延伸部分延伸至沟槽102的上方，如图6所示，第一电极103和第二电极105的延伸部分都为多个间隔排列的长条状结构，并且，第二电极105的延伸部分与第一电极103的延伸部分交错排布，热电子发射体104位于第一电极103和第二电极105的延伸部分上且全部悬空于沟槽102之上。虽然与图4和图5所示的结构相比，图6和图7所示的结构的更复杂，但是，其热电子发射体104的散热效果更好。

在本发明的另一实施例中，片上微型电子源1为片上微型隧穿发射电子源，如图8至图13所示，该片上微型隧穿发射电子源包括衬底101以及位于衬底101上的电子发射结构，该电子发射结构包括位于衬底101表面的阻变材料层108、至少一个第一电极103和至少一个第二电极105，一个第一电极103和一个第二电极105构成一个电极对，并且，第一电极103和第二电极105间隔设置，即第一电极103和第二电极105之间具有间隙107，且第一电极103和第二电极105位于阻变材料层108的表面。

其中，如图8至图11所示，阻变材料层108具有至少一个通孔106，并且，第二电极105通过通孔106与衬底101连接，该衬底101接地。

可选地，当片上微型隧穿发射电子源包括多个电极对时，如图10所示，位于阻变材料层108的表面的第一电极103可以为一体结构，第二电极105可以位于通孔106内，且与第一电极103之间通过通孔106内的间隙间隔设置。

或者，在本发明的另一实施例中，如图12和图13所示，阻变材料层108不具有通孔，第一电极103和第二电极105都位于阻变材料层108的表面。其中，第一电极103和第二电极105可以为图8所示的条状电极，也可以为图12所示的具有延伸部分的电极，可选地，第一电极103的延伸部分和第二电极105的延伸部分一一对应设置，并且，第一电极103的延伸部分和第二电极105的延伸部分之间具有间隙。

其中，在第一电极103上施加正偏压，并将衬底101接地后，由于第二电极105与衬底101电连接，因此，可以在第一电极103和第二电极105之间形成电势差，即在间隙107两侧之间产生电势差，致使在间隙107下方的阻变材料层108由于电势差形成隧穿效应，从而产生电子。当第一电极103和第二电极105都位于阻变材料层108表面时，第一电极103上施加正偏压，第二电极105接地或施加负偏压，同样可以在第一电极103和第二电极105之间形成电势差，致使在间隙107下方的阻变材料层108由于电势差形成隧穿效应，从而产生电子。其中，采用多个电极对可以提高电子的发射电流和发射效率。

本发明实施例中，衬底101选自下列材料中的一种或多种：硅、锗、氧化硅、氧化铝、氧化铍、氮化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅、金刚石、玻璃、陶瓷、金属，阻变材料层105的材料选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化镁、氧化钇、氧化钪、氧化锗、氧化镧、氧化锶、氧化钙、氧化钡、氧化钛、钛酸锶、铝酸镧、氮化硅、氮化铝、碳化硅、金刚石和非晶碳，第一电极103和第二电极105的材料选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。

如图14所示，本发明实施例提供的片上微型电离真空传感器还包括电路板10，该电路板10固定在片上微型电子源1背离第一绝缘层2的一侧，该电路板10背离片上微型电子源1的一侧具有多个引线管脚11，多个引线管脚11分别与片上微型电子源1的电极即第一电极103和第二电极105、第一收集板4和第二收集板8相连，即一个引线管脚11通过焊丝12与片上微型电子源1的第一电极103点焊连接、一个引线管脚11通过焊丝12与片上微型电子源1的第二电极105点焊连接、一个引线管脚11通过焊丝12与片上微型电子源1的第一收集板4点焊连接、一个引线管脚11通过焊丝12与片上微型电子源1的第二收集板8点焊连接。基于此，通过电路板10可以使片上微型电离真空传感器与其它电路连接，便于实际应用，也便于批量生产。

如图14所示，本发明实施例提供的片上微型电离真空传感器还包括电路控制模块13，该电路控制模块13位于电路板10靠近片上微型电子源1的一侧，该电路控制模块13通过电路板10与片上微型电子源1的电极即第一电极103和第二电极105相连，用于为电离真空传感器提供驱动电压和电压控制。

由于片上微型电子源1上施加电压时，虽然片上微型电子源1发射电子，但是，电子流不稳定，会影响第一收集极4的电子流值的测量稳定性，影响真空度的精确测量，因此，为了提高电子流值的稳定性，本发明实施例中通过外加电路控制模块13即可实现片上微型电子源1的电子稳定发射，从而提高真空度的测量精确性。

本发明所提供的片上微型电离真空传感器，采用片上微型电子源代替了常规的灯丝，由于该片上微型电子源可集成，因此，片上微型电离真空传感器具有更高的电子发射效率和电流密度。并且，由于该片上微型电离真空传感器通过微纳加工工艺和键合工艺制备而成，尺寸小，因此，可以扩大电离真空传感器测量真空度的上限，即可以应用在中低真空领域。此外，在实际生产中，该片上微型电离真空传感器可以批量生产，提高了生产效率，降低了生产成本。

本发明实施例还提供了一种片上微型电离真空传感器的制造方法，如图15所示，包括：

S101：采用微纳加工工艺制备片上微型电子源；

可选地，片上微型电子源包括片上微型热发射电子源和片上微型隧穿发射电子源。

当片上微型电子源为片上微型热发射电子源时，参考图4和图5，采用微纳加工工艺制备片上微型电子源包括：

提供衬底101；

对衬底101进行刻蚀，形成至少一个沟槽102；

在衬底101上形成第一电极103和第二电极105；

在衬底101上形成热电子发射体104，热电子发射体104位于第一电极103和第二电极105之间，热电子发射体104部分或全部悬空于沟槽102之上，且与第一电极103和第二电极105连接。

其中，沟槽102可以通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、氢氟酸湿法腐蚀、四甲基氢氧化铵湿法腐蚀、去胶等工艺刻蚀衬底101而成，热电子发射体104可以在衬底101上定向转移而成，也可以通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、等离子体刻蚀、去胶等工艺步骤制备而成，第一电极103和第二电极105可以通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、镀膜、溶脱剥离等工艺步骤制备而成。

需要说明的是，本发明实施例中，可以先在衬底101上形成第一电极103和第二电极105，再在第一电极103和第二电极105之间形成热电子发射体104，也可以先在衬底101上形成热电子发射体104，再在热电子发射体104两侧形成第一电极103和第二电极105，本发明并不对此进行限定。

当片上微型电子源为片上微型隧穿发射电子源时，参考图8和图9，采用微纳加工工艺制备片上微型电子源包括：

提供衬底101；

在衬底101表面形成阻变材料层108，并对阻变材料层108进行刻蚀，形成至少一个通孔106；

在阻变材料层108表面形成至少一个第一电极103和至少一个第二电极105，第一电极103和第二电极105间隔设置，第二电极105通过通孔106与衬底101连接，衬底101接地。

其中，当衬底101为硅衬底、阻变材料层108为氧化硅膜层时，可以通过将衬底101置于用石英玻璃制成的反应管中，将反应管加热到900℃并通入氧气，使得衬底101表面氧化得到一层几百纳米厚的氧化硅薄膜即阻变材料层108。可以通过旋涂光刻胶、光学曝光、显影定影、氢氟酸湿法腐蚀、四甲基氢氧化铵湿法腐蚀、去胶等工艺刻蚀阻变材料层108形成通孔106。当第一电极103和第二电极105的材料为钯和钛时，可以通过旋涂电子束光刻胶PMMA、电子束曝光、显影定影、电子束蒸发镀膜、溶脱剥离等工艺步骤，在覆盖有氧化硅薄膜的硅衬底101表面制备钛钯金属电极，即制备第一电极103和第二电极105。

S102：采用键合工艺将第一绝缘层、第一收集极、第二绝缘层和第二收集极固定在片上微型电子源上。

本发明实施例中，可以采用阳极键合装置将第一绝缘层、第一收集极、第二绝缘层和第二收集极固定在片上微型电子源上。其中，参考图2，第一绝缘层2具有第一通孔3，第一通孔3贯穿第一绝缘层2；第一收集极4具有第一网孔5，第一网孔5贯穿第一收集极4；第二绝缘层6具有第二通孔7，第二通孔7贯穿第二绝缘层6；第二收集极8具有第二网孔9，第二网孔9贯穿第二收集极8；第一通孔3、第一网孔5、第二通孔7以及第二网孔9相互贯通。

基于此，片上微型电子源1上的电子发射结构发射的电子加速通过第一通孔3和第一网孔5并进入第二通孔7后，与通过第二网孔9进入第二通孔7的气体分子碰撞，使气体分子电离成离子。第一收集极4收集电子产生电子电流，第二收集极8收集离子产生离子电流后，可以根据电子电流和离子电流求出片上微型电离真空传感器所处环境的真空度。

如图16所示，阳极键合装置包括电源13、加热板14和阳极头15，其中，加热板14和阳极头15均由导热导电材料制备，电源13的两极分别与加热板14和阳极头15的两端电连接，电源13用于提供电压，量程为1500V；加热板14一方面给键合加热，另一方面作为键合载物台；阳极头15一方面输出电压，另一方面给键合施压。

其中，片上微型电子源1与第一绝缘层2的具体键合步骤如下：

先将片上微型电子源1与第一绝缘层2依次用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，然后用氮气枪吹干，确保片上微型电子源1与第一绝缘层2表面洁净。然后，将片上微型电子源1与第一绝缘层2贴合放在加热板14上，其中片上微型电子源1在下，第一绝缘层2在上，并将阳极头15加压在第一绝缘层2的上表面。将加热板14与电源13的正极电连接，阳极头15与电源13的负极电连接，施加合适的压力和温度，温度在300℃-450℃之间，将片上微型电子源1与第一绝缘层2预热几分钟。之后，启动电源，电压在900V-1400V之间，记录键合电流的变化值，当电流值降为0mA时，关闭电源13和温度开关、降低压力为零，等键合好的片上微型电子源1与第一绝缘层2在加热板14上冷却至室温再取出。用红外光观察片上微型电子源1与第一绝缘层2的键合效果，用氦质谱检漏仪检测片上微型电子源1与第一绝缘层2的键合气密性，即完成键合。

需要说明的是，片上微型电子源1与第一绝缘层2之所以可以阳极键合，是因为当片上微型电子源1与第一绝缘层2在一定温度和压力下，施加一定的电压时，第一绝缘层2中的钠离子远离界面，形成钠离子耗尽层，氧离子靠近界面，片上微型电子源1的硅离子靠近界面，氧离子与硅离子在界面处形成硅氧键，从而实现了片上微型电子源1与第一绝缘层2的紧密结合。采用阳极键合，不仅可以使得键合后的器件具有良好的键合气密性以及键合强度，而且工艺简单、易操作。

在图16所示的结构中，片上微型电子源1在下、第一绝缘层2在上放在加热板14上，但是，本发明并不仅限于此，在其他实施例中，如图17所示，片上微型电子源1在第一绝缘层2的上面，第一绝缘层2在加热板14上，此时加热板14与电源13的负极电连接，阳极头15与电源13的正极电连接，键合过程如上，在此不再赘述。也就是说，本发明实施例中，在阳极键合过程中，需确保片上微型电子源1与电源13的正极电连接，第一绝缘层2与电源13的负极电连接。

本发明实施例中，将片上微型电子源1、第一绝缘层2、第一收集极4、第二绝缘层6以及第二收集极8逐一键合，该键合过程最终可形成一个五层的键合器件，该键合过程没有严格的键合次序要求，具有多种键合次序，本发明实施例中仅以其中一种键合次序为例进行说明，具体键合步骤如下：

片上微型电子源1与第一绝缘层2键合形成第一器件，此时需要将片上微型电子源1与电源13的正极电连接；

将第一器件中的第一绝缘层2与第一收集极4键合形成第二器件，此时需要将第一收集极4与电源13的正极电连接；

将第二器件中的第一收集极4与第二绝缘层6键合形成第三器件，此时需要将第二器件中的第一收集极4与电源13的正极电连接；

将第三器件中的第二绝缘层6与第二收集极8键合形成片上微型电离真空传感器，此时需要将第二收集极8与电源13的正极电连接。

本发明实施例中，参考图12，将片上微型电子,1、第一绝缘层2、第一收集极4、第二绝缘层6和第二收集极8逐一键合之后，还包括：

将电路板10固定在片上微型电子源1背离第一绝缘层2的一侧；

将电路板10背离片上微型电子源1的一侧的多个引线管脚分别与片上微型电子源1的电极、第一收集板4和第二收集板8相连。

本发明实施例中，参考图14，将电路板10固定在片上微型电子源1背离第一绝缘层2的一侧，还包括：

将电路控制模,13安装在电路板10靠近片上微型电子源1的一侧；

将电路控制模块13通过电路板10与片上微型电子源1的电极相连。

本发明所提供的片上微型电离真空传感器的制造方法，采用片上微型电子源代替了常规的灯丝，由于该片上微型电子源可集成，因此，片上微型电离真空传感器具有更高的电子发射效率和电流密度。并且，由于该片上微型电离真空传感器通过微纳加工工艺和键合工艺制备而成，尺寸小，因此，可以扩大电离真空传感器测量真空度的上限，即可以应用在中低真空领域。此外，在实际生产中，该片上微型电离真空传感器可以批量生产，提高了生产效率，降低了生产成本。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (15)

1.一种片上微型电离真空传感器，其特征在于，包括片上微型电子源、依次设置在所述片上微型电子源一侧的第一绝缘层、第一收集极、第二绝缘层和第二收集极；

所述片上微型电子源朝向所述第一绝缘层的一侧具有电子发射结构；

所述第一绝缘层具有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述第一绝缘层；

所述第一收集极具有第一网孔，所述第一网孔贯穿所述第一收集极；

所述第二绝缘层具有第二通孔，所述第二通孔贯穿所述第二绝缘层；

所述第二收集极具有第二网孔，所述第二网孔贯穿所述第二收集极；

所述第一通孔、所述第一网孔、所述第二通孔以及所述第二网孔相互贯通，以使所述电子发射结构发射的电子通过所述第一通孔和所述第一网孔并进入所述第二通孔后，与通过所述第二网孔进入所述第二通孔的气体分子碰撞，使气体分子电离成离子；

所述第一收集极用于收集电子，并产生电子电流；

所述第二收集极用于收集离子，并产生离子电流，以便根据所述电子电流和所述离子电流求出所述片上微型电离真空传感器所处环境的真空度；

其中，所述片上微型电子源包括片上微型热发射电子源；

所述片上微型热发射电子源包括衬底以及位于所述衬底上的至少一个电子发射结构；

所述电子发射结构包括第一电极、第二电极以及位于所述第一电极和所述第二电极之间的热电子发射体；

所述衬底具有至少一个沟槽，所述热电子发射体部分或全部悬空于所述沟槽之上；

所述第一电极位于所述沟槽的一侧，所述第一电极的延伸部分延伸至所述沟槽的上方；

所述第二电极位于所述沟槽相对的另一侧，所述第二电极的延伸部分延伸至所述沟槽的上方，所述第二电极的延伸部分与所述第一电极的延伸部分交错排布；

所述热电子发射体位于所述第一电极和所述第二电极的延伸部分上且全部悬空于所述沟槽之上。

2.根据权利要求1所述的电离真空传感器，其特征在于，所述片上微型电子源还包括片上微型隧穿发射电子源。

3.根据权利要求1所述的电离真空传感器，其特征在于，所述热电子发射体部分悬空于所述沟槽之上；

所述第一电极位于所述沟槽的一侧，且与位于所述沟槽同一侧的热电子发射体连接；

所述第二电极位于所述沟槽相对的另一侧，且与位于所述沟槽同一侧的热电子发射体连接。

4.根据权利要求1所述的电离真空传感器，其特征在于，所述热电子发射体由以下材料的一种或多种制成：碳纳米管、石墨烯、六硼化镧、六硼化钐、钨、钼、铱、锇、氧化钇、氧化钡、氧化铝、氧化钪以及氧化钙。

5.根据权利要求2所述的电离真空传感器，其特征在于，所述片上微型隧穿发射电子源包括衬底以及位于所述衬底上的电子发射结构；

所述电子发射结构包括位于所述衬底表面的阻变材料层、至少一个第一电极和至少一个第二电极，所述第一电极和所述第二电极间隔设置，并且，所述第一电极和所述第二电极位于所述阻变材料层的表面。

6.根据权利要求5所述的电离真空传感器，其特征在于，所述阻变材料层具有至少一个通孔，并且所述第二电极通过所述通孔与所述衬底连接。

7.根据权利要求5所述的电离真空传感器，其特征在于，所述阻变材料层的材料选自下列材料中的一种或多种：氧化硅、氧化铝、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氧化镁、氧化钇、氧化钪、氧化锗、氧化镧、氧化锶、氧化钙、氧化钡、氧化钛、钛酸锶、铝酸镧、氮化硅、氮化铝、碳化硅、金刚石和非晶碳。

8.根据权利要求1-7任一项所述的电离真空传感器，其特征在于，所述第一和第二电极的材料选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯和碳纳米管。

9.根据权利要求1-7任一项所述的电离真空传感器，其特征在于，所述衬底选自下列材料中的一种或多种：硅、氧化硅、氧化铝、氧化铍、氮化硅、氮化铝、氮化硼、碳化硅、金刚石、玻璃、陶瓷、金属。

10.根据权利要求1所述的电离真空传感器，其特征在于，还包括电路板，所述电路板固定在所述片上微型电子源背离所述第一绝缘层的一侧；

所述电路板背离所述片上微型电子源的一侧具有多个引线管脚，所述多个引线管脚分别与所述片上微型电子源的电极、所述第一收集极和所述第二收集极相连。

11.根据权利要求10所述的电离真空传感器，其特征在于，还包括电路控制模块；

所述电路控制模块通过所述电路板与所述片上微型电子源的电极相连，用于为所述电离真空传感器提供驱动电压和电压控制。

12.一种片上微型电离真空传感器的制造方法，其特征在于，包括：

采用微纳加工工艺制备片上微型电子源；

采用键合工艺将第一绝缘层、第一收集极、第二绝缘层和第二收集极固定在所述片上微型电子源上；

其中，所述第一绝缘层具有第一通孔，所述第一通孔贯穿所述第一绝缘层；

所述第一收集极具有第一网孔，所述第一网孔贯穿所述第一收集极；

所述第二绝缘层具有第二通孔，所述第二通孔贯穿所述第二绝缘层；

所述第二收集极具有第二网孔，所述第二网孔贯穿所述第二收集极；

所述第一通孔、所述第一网孔、所述第二通孔以及所述第二网孔相互贯通；

其中，当所述片上微型电子源为片上微型热发射电子源时，采用微纳加工工艺制备片上微型电子源包括：

提供衬底；

对所述衬底进行刻蚀，形成至少一个沟槽；

在所述衬底上形成第一电极和第二电极；

在所述衬底上形成热电子发射体，所述热电子发射体位于所述第一电极和所述第二电极之间，所述热电子发射体部分或全部悬空于所述沟槽之上，且与所述第一电极和所述第二电极连接；

所述第一电极位于所述沟槽的一侧，所述第一电极的延伸部分延伸至所述沟槽的上方；

所述第二电极位于所述沟槽相对的另一侧，所述第二电极的延伸部分延伸至所述沟槽的上方，所述第二电极的延伸部分与所述第一电极的延伸部分交错排布；

所述热电子发射体位于所述第一电极和所述第二电极的延伸部分上且全部悬空于所述沟槽之上。

13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，当所述片上微型电子源为片上微型隧穿发射电子源时，采用微纳加工工艺制备片上微型电子源包括：

提供衬底；

在所述衬底表面形成阻变材料层，并对所述阻变材料层进行刻蚀，形成至少一个通孔；

在所述阻变材料层表面形成至少一个第一电极和至少一个第二电极，所述第一电极和所述第二电极间隔设置，所述第二电极通过所述通孔与所述衬底连接，所述衬底接地。

14.根据权利要求12～13任一项所述的制造方法，其特征在于，还包括：

将电路板固定在所述片上微型电子源背离所述第一绝缘层的一侧；

将所述电路板背离所述片上微型电子源的一侧的多个引线管脚分别与所述片上微型电子源的电极、所述第一收集极和所述第二收集极相连。

15.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于，还包括：

将电路控制模块安装在所述电路板靠近所述片上微型电子源的一侧；

将所述电路控制模块通过所述电路板与所述片上微型电子源的电极相连。

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