CN113324697A - 微型皮拉尼真空传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微型皮拉尼真空传感器及其制作方法，该微型皮拉尼真空传感器包括衬底，所述衬底上形成有凹槽；结构层，所述结构层覆盖凹槽的开口且与凹槽合围形成空腔；所述凹槽的至少一个侧壁上开设有连通空腔的入口；加热部件，设置在结构层上且与衬底相对的一侧；所述加热部件为采用连续的加热丝体螺旋围绕形成的螺旋状结构，并且加热丝体的宽度从加热部件的中心向外围呈线性逐渐减小。通过将加热部件设计为变参数的螺旋状结构，补偿不同加热区域的加热功率，优化加热部件热均匀性，提高气体分子从加热部件到热沉热运动方向的一致性，从而增加散热效率，获得具有高测量灵敏度和可检测较小真空度的皮拉尼真空传感器。
Description
技术领域
本发明涉及微电子机械系统技术领域，具体涉及一种微型皮拉尼真空传感器及其制作方法。
背景技术
基于微电子机械系统(Micro-Electro-Mechanical Systems,MEMS)微细加工工艺的皮拉尼真空传感器具有体积小、成本低、热响应快、测量范围广等优点，具有很广泛的应用。其基本原理是通过加热丝在不同真空度下热散失速率和周围气体压强之间的相关性实现真空度的测量。因此，其结构中通常包含加热体，通过给加热体施加电流对加热体进行加热，加热体通过和周围的气体进行对流换热进行散热。在不同的气压下，加热体的散热效率会跟随气压的变化而产生变化，进而表现为阻值的变化，通过对不同气压的加热体阻值的度量可以间接的进行真空度的测量。
现有的纵向结构的微薄膜型皮拉尼真空传感器中，其敏感结构多采用等结构参数多弯折的蛇状或等结构参数的螺旋回折结构，传统等宽螺旋结构和等参数多弯折结构，其自身结构是一个镂空结构的膜层，在边界处与衬底间通过悬臂梁、锚爪或其他方式进行接触支撑，由于各区域的加热功率恒定，加热区域靠近中间的部分的热只能通过周围的空气热传导、热辐射进行热量传输，而靠近外围部分的则会通过悬臂梁、结构层与支撑结构相接处界面的固体热传导等产生额外的热损失，这将导致整个加热膜层的温度由内到外存在一个正梯度分布，而不是一个均匀的温度场，造成空腔内气体分子热输运路径杂乱，散热效率低等问题，进一步限制了灵敏度的进一步提升。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种微型皮拉尼真空传感器及其制作方法，该微型皮拉尼真空传感器将位于加热部件下方的空腔作为与外界连通的腔体，在加热的情况下，空腔中的气体分子会在布朗运动下将热量传输至下层的热沉，而通过将加热部件设计为变参数的螺旋状结构，补偿不同加热区域的加热功率，优化加热部件热均匀性，提高气体分子从加热部件到热沉热运动方向的一致性，从而增加散热效率，进而提升传感器的灵敏度，以解决现有技术中皮拉尼真空传感器散热效率低而阻碍其灵敏度的提升的技术问题。
根据一个或多个实施例，一种微型皮拉尼真空传感器包括：
衬底，所述衬底上形成有凹槽；
结构层，所述结构层覆盖所述凹槽的开口且与所述凹槽合围形成空腔；所述凹槽的至少一个侧壁上开设有连通所述空腔的入口；
加热部件，设置在所述结构层上且与所述衬底相对的一侧；
所述加热部件为采用连续的加热丝体螺旋围绕形成的螺旋状结构，并且所述加热丝体的宽度从所述加热部件的中心向外围呈线性逐渐减小。
根据一个或多个实施例，一种微型皮拉尼真空传感器的制作方法包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底上形成结构层；
在所述结构层上形成加热部件；并且所述加热部件呈螺旋状结构；
采用湿法腐蚀工艺以使所述结构层与所述衬底之间形成具有入口的空腔。
本发明中，通过设计特殊结构的加热部件以补偿不同加热区域的加热功率，优化加热丝体热均匀性，提高气体分子从加热丝体到热沉热运动方向一致性，提升气体分子从加热丝体向底部热沉热输运效率，从而增加散热效率，进而提升皮拉尼真空传感器的灵敏度，扩展其测量极限。
本发明通过合理设计优化加热丝体的结构参数，能够有效降低结构层内温度梯度大所引起的热应力，从而提升器件的鲁棒性，满足MEMS皮拉尼真空传感器在高量程、高灵敏度和低测量极限等性能具有极高要求的领域内的使用。
本发明中的微型皮拉尼真空传感器具有以下优点：
1、加热体热均匀性一致性高；
2、具有较高的测量灵敏度和测量范围；
3、制造工艺简单；
4、能够检测真空腔室的较小压力。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例中微型皮拉尼真空传感器的结构设计图；
图2为图1的俯视图；
图3～图7为本发明实施例中微型皮拉尼真空传感器的制作方法的流程示意图。
图中：
1、衬底；2、结构层；3、加热部件；4、金属焊盘；5、引线；6、钝化层；7、空腔；8、窗口；9、加热部件的中心。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
图1示出了本发明的一种构思中微型皮拉尼真空传感器的结构设计图，图7示出了微型皮拉尼真空传感器整体结构的横截面图。
参考图1和图7所示，在衬底1上设置一结构层2。
在本发明中，衬底1可以为硅片。
参考图7所示，衬底1上形成有凹槽，并且凹槽的开口朝向结构层2。
结构层2覆盖衬底1，并且结构层2覆盖在衬底1上凹槽开口的一侧，结构层2与凹槽合围形成空腔7。
在本发明的实施例中，空腔7形成该微型皮拉尼真空传感器与外界连通的腔体。
继续参考图7所示，凹槽的至少一个侧壁上开设有连通空腔7的入口。
本发明中的传感器在工作时，待测腔体通过入口与腔体7连通，并采用一定的电学读出方法建立电学信号与真空度之间的关系，即可实现该微型皮拉尼真空传感器功能。
参考图7所示，加热部件3制作在结构层2上，且位于与衬底1相对的一侧。
加热部件3产生的热量主要通过分子热运动从结构层2经过空腔7传递到衬底1进行散热。
在本发明的实施例中，加热部件3整体呈螺旋状结构，例如方形螺旋结构。
参考图2所示，加热部件3采用一连续的加热丝体螺旋围绕形成，并且加热丝体的两端分别位于加热部件3的相对两端，两个金属焊盘4分别通过两个引线5连接加热丝体的两端。
作为本发明的一种实施例，加热丝体的宽度从加热部件的中心9向外围呈线性逐渐变窄，也即可以通过调整加热丝体的宽度，以有效降低结构层2内温度梯度大所引起的热应力，提高气体分子从加热丝体到热沉热运动方向的一致性。
作为本发明的另一种实施例，加热丝体的宽度的从加热部件的中心9向外围呈线性逐渐变窄，同时加热丝体之间形成的间隙从加热部件的中心9向外围呈线性逐渐减小；可以理解为通过同时调整加热丝体的宽度以及加热丝体之间形成的间隙，以有效降低结构层2内温度梯度大所引起的热应力，提高气体分子从加热丝体到热沉热运动方向的一致性。
例如，设定加热丝体的宽度和间隙的调整系数为K，则从图2中的俯视图看，加热部件3整体结构中加热丝体的宽度以K为系数由中心向外围以线性比例逐渐减小，直至加热丝体表面积与结构层2表面积比达到一定的比例值。并且以加热部件3的中心处的加热丝体为中心，加热丝体的宽度大小和间隙大小呈上下对称以及左右对称分布。
作为本发明的另一种实施例，加热丝体的表面积与结构层2的表面积比在2.5～3.5范围内。
需要说明的是，加热丝体的表面积为图2俯视图中加热丝体的表面积。
加热部件3以方形状结构的中心为起始点，随着向外围拓展，加热丝体的宽度以线性比例逐渐减小，或者加热丝体的宽度以及加热丝体之间的间隙均以线性比例逐渐减小，而当加热丝体的表面积与结构层2的表面积之比达到2.5～3.5时，加热部件3具有最佳热均匀性，使得皮拉尼传感器具有高灵敏度。
在本发明的实施例中，通过合理设计优化加热部件3的结构参数，通过补偿其外围部分的加热功率，可使得整个加热结构3上加热区域温度趋于一致，从而实现高热均匀性的分布，而高热均匀性的分布促进了加热丝体和热沉之间气体分子热传导运动向下扩散方向的一致性，致使散热效率提升，从而提升皮拉尼真空传感器的灵敏度。
需要说明的是，加热部件3整体螺旋结构的形状、加热丝体螺旋的层数、加热丝体的宽度以及相邻的加热丝体之间的间隙大小均不作具体限定，可以根据实际需要进行选择。
继续参考图2所示，在结构层2上制作两个金属焊盘4和两根引线5，两个金属焊盘4分别通过两个引线5连接加热丝体的两端。
参考图7所示，钝化层6覆盖加热部件3和结构层2，用于保护加热部件3和引线5，以防止其被腐蚀或者被氧化。
继续参考图7所示，钝化层6以及结构层2上对应开设有连通空腔7的两个窗口8。
本发明中的微型皮拉尼真空传感器的检测机理如下：
该微型皮拉尼真空传感器工作时，通过金属焊盘4施加恒定的电流，电流流过加热部件3电阻温度发生变化，产生焦耳热。
待测腔体与腔体7连通，待测腔体内真空度发生变化时，气体分子热散失效率发生变化导致散热热量发生变化，加热部件3电阻发生变化，输出电压就发生变化。
通过测量金属焊盘4两端电压可以反映出待测腔体内真空度。
图3至图7示出了本发明的一种构思中制备微型皮拉尼真空传感器的方法的实施例的各个阶段。
参考图3所示，提供衬底，衬底1可以为硅片。
继续参考图3所示，在衬底1上形成结构层2。
在本发明的实施例中，可以利用低压化学气相沉积法在衬底1上沉积薄膜材料以形成结构层2。
薄膜材料可以为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化硅/氮化硅复合薄膜、或者氧化硅/氮化硅/氧化硅复合膜。
参考图4所示，在结构层2上制作加热部件3。
在本发明的实施例中，可以采用淀积工艺在结构层2上淀积热敏电阻材料，并图形化处理形成加热部件3。
在本发明的实施例中，加热部件3整体呈方形螺旋结构。
热敏电阻材料可以为Ti、Pt、多晶硅或非晶硅。
继续参考图4所示，在结构层2上制作金属焊盘4和引线5。
在本发明的实施例中，可以采用溅射、光刻及腐蚀工艺在结构层2上制作引线5和金属焊盘4。
参考图5所示，在结构层2上淀积保护材料，形成钝化层6。其中，钝化层6覆盖加热部件3、金属焊盘4以及引线5。
在本发明的实施例中，保护材料可以为氧化硅和氮化硅中的至少一种。
在本发明的实施例中，可以利用光刻和刻蚀工艺结合对钝化层6进行图形化处理，以将金属焊盘4外露。
参考图6所示，采用光刻和刻蚀工艺相结合在结构层2以及钝化层6上对应形成裸露衬底1表面的窗口8。
在本发明的实施例中，窗口8可以用于腐蚀液的流入，其中，腐蚀液可以为氢氧化钾溶液，当然也可以根据衬底1以及结构层2的材质选择适宜的腐蚀液，不作具体限定。
参考图7所示，利用氢氧化钾溶液并通过窗口8腐蚀衬底1的浅表层，以在衬底1上形成凹槽，因而在衬底1和结构层2之间形成空腔7，使得加热部件3相对于衬底1悬空设置，从而释放敏感区域。
需要说明的是，本发明的实施例中只给出通过正面腐蚀释放器件结构的工艺过程，而通过背面腐蚀、镂空衬底，形成悬空器件结构的工艺也包含在本发明的范围内。
结合图7和图1所示，将进一步利用氢氧化钾溶液腐蚀凹槽的至少一侧壁以形成连通空腔7的入口，便于与待测腔体连通。
在本发明的实施例中，入口可以形成在凹槽的一侧壁上，当然也可以根据需要形成在凹槽的相对两侧壁上，不作具体限定。
在本发明的实施例中，上述工艺步骤制作得到的微型皮拉尼真空传感器还需经过划片、封装以及连接外电路，获得最终成品。
需要说明的是，本发明中的淀积工艺、光刻刻蚀工艺以及溅射工艺等均为现有技术中的常规工艺。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种微型皮拉尼真空传感器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底上形成有凹槽；
结构层，所述结构层覆盖所述凹槽的开口且与所述凹槽合围形成空腔；所述凹槽的至少一个侧壁上开设有连通所述空腔的入口；
加热部件，设置在所述结构层上且与所述衬底相对的一侧；
所述加热部件为采用连续的加热丝体螺旋围绕形成的螺旋状结构，并且所述加热丝体的宽度从所述加热部件的中心向外围呈线性逐渐减小。
2.根据权利要求1所述的微型皮拉尼真空传感器，其特征在于，所述加热部件为采用一连续的加热丝体螺旋围绕形成的方形螺旋结构，并且所述加热丝体的两端分别位于所述加热部件的相对两端；
优选的，所述加热丝体之间的间隙从所述加热部件的中心向外围呈线性逐渐减小；
优选的，所述加热丝体的表面积与所述结构层的表面积比为2.5～3.5。
3.根据权利要求2所述的微型皮拉尼真空传感器，其特征在于，所述器件结构还包括设置在所述结构层上的两个金属焊盘和引线，所述两个金属焊盘分别通过所述两个引线连接所述加热丝体的两端。
4.根据权利要求1所述的微型皮拉尼真空传感器，其特征在于，所述器件结构还包括钝化层，所述钝化层覆盖所述加热部件和所述结构层设置；
所述钝化层以及所述结构层上对应开设有连通所述空腔的至少一个窗口。
5.一种微型皮拉尼真空传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底上形成结构层；
在所述结构层上形成加热部件；并且所述加热部件呈螺旋状结构；
采用湿法腐蚀工艺以使所述结构层与所述衬底之间形成具有入口的空腔。
6.根据权利要求5所述的微型皮拉尼真空传感器的制作方法，其特征在于，利用低压化学气相沉积法在所述衬底上沉积薄膜材料以形成所述结构层；
优选的，所述薄膜材料为二氧化硅薄膜、氮化硅薄膜、氧化硅/氮化硅复合薄膜、或者氧化硅/氮化硅/氧化硅复合膜。
7.根据权利要求5或6所述的微型皮拉尼真空传感器的制作方法，其特征在于，在所述结构层上淀积热敏电阻材料，并图形化处理形成所述加热部件；
优选的，所述热敏电阻材料为Ti、Pt、多晶硅或非晶硅。
8.根据权利要求5所述的微型皮拉尼真空传感器的制作方法，其特征在于，在采用湿法腐蚀工艺以使所述结构层与所述衬底之间形成具有入口的空腔之前还包括：
在所述结构层上制作金属焊盘和引线；
形成覆盖所述加热部件以及所述引线的钝化层。
9.根据权利要求8所述的微型皮拉尼真空传感器的制作方法，其特征在于，形成覆盖所述加热部件以及所述引线的钝化层包括：
覆盖所述加热部件、所述结构层以及所述金属焊盘和所述引线淀积保护材料，形成所述钝化层；
对所述钝化层进行图形化处理，以将所述金属焊盘外露；
优选的，所述保护材料为氧化硅和氮化硅中的至少一种。
10.根据权利要求5所述的微型皮拉尼真空传感器的制作方法，其特征在于，采用湿法腐蚀工艺以使所述结构层与所述衬底之间形成具有入口的空腔包括：
采用光刻刻蚀工艺在所述结构层以及所述钝化层上形成窗口；
利用腐蚀液并通过所述窗口腐蚀所述衬底的浅表层，以在所述衬底上形成凹槽；
利用腐蚀液腐蚀所述凹槽的至少一侧壁以形成入口。
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- 2021-04-16 CN CN202110414214.3A patent/CN113324697A/zh active Pending
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