CN113588159B - 一种宽量程的mems真空计及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种宽量程的MEMS真空计及其制作方法，该MEMS真空计包括本体和键合在本体上方的盖板，本体包括具有腔体的衬底一，形成于衬底一及腔体上表面的介质层，以及形成于介质层上表面、且局部位于腔体上方的热敏部件；盖板包括衬底二，衬底二下表面通过环形支撑柱与本体键合，位于热敏部件上方的衬底二下表面形成有微纳结构，支撑柱之间存在导气通道。本发明通过设置盖板，减小了加热器与热沉之间的垂直距离，有利于提高MEMS真空计的测量上限，同时盖板上的微纳结构有利于增大加热器与热沉间气体热传导的面积，即有利于增加气体的热传导，从而提高MEMS真空计的测量下限。因此，本发明的MEMS真空计可有效扩展测量范围，实现宽量程。
Description
技术领域
本发明属于MEMS传感技术领域，特别涉及一种宽量程的MEMS真空计及其制作方法。
背景技术
真空是指气体压强低于一个标准大气压的稀薄气体的特殊空间状态。真空计作为测量和应用真空的一种仪表，在航天、工业、科学研究和医药等行业得到了日益广泛的应用。
20世纪80年代以来，随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)技术的发展与成熟，真空计的小型化、微型化得以实现。MEMS真空计，尤其是MEMS热传导型真空计，具有体积小、功耗低、灵敏度高、可批量生产和成本低等优点，迅速成为研究和应用的热点。根据测温方法的不同，MEMS热传导型真空计可分为皮拉尼(电阻型)真空计和热电堆真空计，其中，皮拉尼真空计的加热器和测温器都是电阻，而热电堆真空计的加热器是电阻，测温器是热电堆。当环境气体压强不同时，气体与加热器之间的热交换状态发生改变，加热器及其周围的温度随之发生变化，因此，可以利用电阻阻值或热电堆的塞贝克效应测量这种变化来表征环境的气体压强。
虽然MEMS真空计具有诸多优点，但测量范围较窄，成为制约其发展与应用的主要因素之一。为此，研究人员提出了多种有效的技术方案，如通过减小加热器与热沉之间的垂直距离来提高真空计的测量上限，通过增大加热器的表面积来提高真空计的测量下限。然而，随着应用的不断推广和深入，MEMS真空计的测量范围亟需得到进一步提高，现有的方法不能满足日益提高的测量范围的需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种宽量程的MEMS真空计及其制作方法，通过设置具有微纳结构的盖板，达到扩展MEMS真空计测量范围的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种宽量程的MEMS真空计，包括本体和键合在本体上方的盖板，所述本体包括具有腔体的衬底一，形成于衬底一及腔体上表面的介质层，以及形成于介质层上表面、且局部位于腔体上方的热敏部件；所述盖板包括衬底二，所述衬底二下表面通过环形支撑柱与所述本体键合，位于热敏部件上方的衬底二下表面形成有微纳结构，所述支撑柱之间存在导气通道。
上述方案中，所述微纳结构为硅黑或铂黑，所述硅黑通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法图形化衬底二下表面形成，所述衬底二采用单面抛光或双面抛光的硅衬底，所述硅黑的截面形状为矩形、三角形、梯形的一种；所述铂黑通过电镀的方法形成。
上述方案中，所述热敏部件为加热器一，所述加热一的材料为掺杂多晶硅或金属。
上述方案中，所述热敏部件包括局部位于腔体上方的加热器二和位于加热器二周围的热电堆，所述热电堆包括第一热电偶臂和位于第一热电偶臂上方的第二热电偶臂，所述第一热电偶臂和第二热电偶臂之间通过绝缘层隔离，且所述绝缘层上开设用于连接第一热电偶臂和第二热电偶臂的接触孔。
优选地，所述腔体由衬底一的上表面向内凹入一定深度形成。
上述方案中，所述衬底一采用单面抛光或双面抛光的硅衬底，所述介质层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。
上述方案中，所述绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。
一种宽量程的MEMS真空计的制作方法，包括本体的制备、盖板的制备，以及本体与盖板的键合；
所述本体的制备包括如下步骤：
S1、提供一衬底一，并于衬底一上形成介质层；
S2、于介质层上局部形成热敏部件；
S3、对部分介质层进行刻蚀形成释放孔，通过释放孔对衬底一进行释放形成腔体；
所述盖板的制备包括如下步骤：
S4、提供一衬底二，于衬底二上刻蚀凹槽以形成具有导气通道的环形支撑柱；
S5、在衬底二部分下表面上形成微纳结构；
最后，将盖板的支撑柱通过键合工艺与本体进行组装，组装后微纳结构位于热敏部件上方。
进一步的技术方案中，步骤S2中，所述热敏部件为加热器一，所述加热一的材料为掺杂多晶硅或金属，掺杂多晶硅通过低压力化学气相沉积、离子注入、退火、刻蚀工艺的组合方法形成，金属通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成。
进一步的技术方案中，步骤S2中，所述热敏部件包括局部位于腔体上方的加热器二和位于加热器二周围的热电堆，具体制备方法如下：
(1)通过低压力化学气相沉积、离子注入、退火、刻蚀工艺的组合在介质层上形成掺杂多晶硅，其中，部分所述掺杂多晶硅作为加热器二，部分所述掺杂多晶硅作为第一热电偶臂；
(2)通过低压力化学气相沉积或等离子体化学气相沉积的方法在掺杂多晶硅上形成绝缘层，并采用干法刻蚀形成接触孔；
(3)通过剥离工艺，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法在绝缘层上形成金属层，其中，部分所述金属层作为第二热电偶臂，与第一热电偶臂共同形成热电堆，部分所述金属层作为电极。
通过上述技术方案，本发明提供的一种宽量程的MEMS真空计及其制作方法具有如下有益效果：
1、本发明基于MEMS技术制造的真空计具有体积小、功耗低、灵敏度高、响应速度快等优点，且制备过程简单，可控性强，工艺兼容性高。
2、一方面，本发明通过正面腐蚀方法形成腔体，且利用键合工艺在MEMS真空计上设置盖板，因而可以获得较小的加热器与衬底/盖板热沉之间的垂直距离，有利于提高MEMS真空计的测量上限；另一方面，通过在盖板上形成微纳结构，有利于增大加热器与热沉间气体热传导的面积，即有利于增加气体的热传导，从而提高MEMS真空计的测量下限。因此，本发明的MEMS真空计可实现较宽的测量范围。
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。
图1为本发明实施例一所公开的本体结构立体图；
图2-图5所示为本发明实施例一所公开的本体制备各步骤的剖面结构示意图(图1中A-A剖面)；
图6为本发明实施例二所公开的本体结构立体图；
图2、图7-图11所示为本发明实施例二所公开的本体制备各步骤的剖面结构示意图(图6中B-B剖面)；
图12为本发明所公开的形成有凹槽的盖板仰视图；
图13为图12的C-C剖视图；
图14为图13所示的盖板上形成硅黑微纳结构的示意图；
图15为图13所示的盖板上形成铂黑微纳结构的示意图；
图16所示为本发明实施例所公开的MEMS真空计的剖面结构示意图。
图中，10、衬底一；101腔体；20、介质层；201、释放孔；30、加热器一；301、金属电极；40、热电堆；401、第一热电偶臂；402、第二热电偶臂；50、绝缘层；501、接触孔；60、衬底二；601、凹槽；602微纳结构；603、支撑柱；604、导气通道；70、加热器二。
具体实施方式
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。
本发明提供了一种宽量程的MEMS真空计，如图16所示，包括本体M和键合在本体M上方的盖板N。
在本发明的实施例一中，本体M采用如图1所示的结构，包括：
衬底一10，设有腔体101；
介质层20，形成于衬底一10及腔体101的上表面；
加热器一30，形成于介质层20上，且局部位于腔体101的上方。
在本发明的实施例二中，本体M采用如图6所示的结构，包括：
衬底一10，设有腔体101；
介质层20，形成于衬底一10及腔体101的上表面；
加热器二70及热电堆40，形成于介质层20上，且局部位于腔体101的上方；其中，热电堆40由第一热电偶臂401和第二热电偶臂402构成，且除接触点外，第一热电偶臂401和第二热电偶臂402之间用绝缘层50进行隔离。
具体地，盖板N采用如图14或图15所示的结构，包括：
衬底二60，设有凹槽601，从而形成环形支撑柱603，支撑柱603之间存在导气通道604；
微纳结构602，形成于凹槽601的部分表面。
进一步地，衬底一10、衬底二60采用单面抛光或双面抛光的硅衬底，腔体101优选由衬底一10的上表面向内凹入一定深度(正面腐蚀方法)形成。相比于MEMS真空计中常用的背面腐蚀方法，正面腐蚀方法可获得较小的加热器与衬底/盖板热沉之间的垂直距离，从而可以提高MEMS真空计的测量上限。
进一步地，介质层20、绝缘层50的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合，其中，介质层20的材料优选为氧化硅、氮化硅组成的复合膜，绝缘层50的材料优选为氧化硅。
进一步地，加热器一30的材料为掺杂多晶硅、金属的一种，当为掺杂多晶硅时，需要在其上方设置金属电极；加热器二70的材料为掺杂多晶硅；热电堆40的材料为掺杂多晶硅(P型或N型)和金属的组合。需要说明的是，在图1所示的结构中，加热器一30同时作为测温器，包含该结构的真空计为皮拉尼真空计；在图6所示的结构中，加热器二70仅用于加热，热电堆40作为测温器，包含该结构的真空计为热电堆真空计。
进一步地，微纳结构602可为硅黑(图14所示)，或铂黑(图15所示)，或其它有利于增大表面的材料。需要说明的是，微纳结构50有利于增大盖板N的表面积，从而加快气体分子与加热器一30和加热器二70之间的换热效率，即增加气体的热传导，提高反应的灵敏性，从而提高MEMS真空计的测量下限。
本发明还提供上述MEMS真空计的制作方法。首先，请参阅图2-图5，在本发明的实施例一中，本体M的制作方法包括如下步骤：
S1、提供一衬底一10，于衬底一10上形成介质层20，如图2所示；
具体地，衬底一10采用单面抛光或双面抛光的硅衬底。在本实施例中，衬底一10采用双面抛光的硅衬底。
具体地，介质层20的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合，其中，氧化硅可通过热氧化、低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成，氮化硅可通过低压力化学气相沉积、等离子体化学气相沉积的方法形成。在本实施例中，介质层20采用氧化硅和氮化硅组成的复合膜，其中，氧化硅通过热氧化的方法形成，氮化硅通过低压力化学气相沉积的方法形成。
S2、于介质层20上形成加热器一30，如图3所示；
具体地，加热器一30的材料为掺杂多晶硅、金属的一种，其中，掺杂多晶硅可通过低压力化学气相沉积、离子注入、退火、刻蚀工艺的组合形成，金属可通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成。在本实施例中，加热器一30的材料为铂，采用剥离工艺形成，加热器一30位于边缘的部分为金属电极301。
S3、对部分介质层20进行刻蚀，形成释放孔201，如图4所示；
具体地，可通过干法刻蚀的方法形成释放孔201，释放孔201的形状不作限定，优选为围绕加热器一30对称分布的矩形。
S4、通过释放孔201对衬底一10进行释放，形成腔体101，如图5所示；
具体地，可通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法对衬底一10进行释放以形成腔体101。为避免结构黏附问题，在本实施例中，采用XeF2各向同性干法腐蚀的方法形成腔体101。
请参阅图2、图7-图11，在本发明的实施例二中，本体M的制作方法包括如下步骤：
S1、提供一衬底一10，于衬底一10上形成介质层20，如图2所示；
S2、于介质层20上形成掺杂多晶硅，如图7所示；
具体地，掺杂多晶硅通过低压力化学气相沉积、离子注入、退火、刻蚀工艺的组合形成，其中，离子注入元素可为磷、硼、铝、铁等。在本实施例中，离子注入元素为磷，其中，部分掺杂多晶硅作为加热器二70，部分掺杂多晶硅作为第一热电偶臂401。
S3、于掺杂多晶硅上形成绝缘层50，并刻蚀出接触孔501，如图8所示；
具体地，绝缘层50的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合，通过低压力化学气相沉积或等离子体化学气相沉积形成，并采用干法刻蚀形成接触孔501。在本实施例中，绝缘层50采用氧化硅，通过低压力化学气相沉积的方法形成。
S4、于绝缘层50上形成金属层，如图9所示；
具体地，金属层的材料优选为铝，通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成。在本实施例中，金属层通过剥离工艺形成，其中，部分金属层作为第二热电偶臂402，与第一热电偶臂401共同形成热电堆40，部分金属层作为电极。
S5、对部分介质层20及绝缘层50进行刻蚀，形成释放孔201，如图10所示；
S6、通过释放孔201对衬底一10进行释放，形成腔体101，如图11所示。
请参阅图12-图15，盖板N的制作方法包括如下步骤：
S1、提供一衬底二60，于衬底二60上形成凹槽601，凹槽601之外的区域为环形的支撑柱603，相邻的支撑柱603之间存在导气通道604，如图12和图13所示；
具体地，衬底二60采用单面抛光或双面抛光的硅衬底。在本实施例中，衬底二60采用双面抛光的硅衬底，通过干法刻蚀的方法形成凹槽601，凹槽601的高度可根据需要进行设置。
S2、于凹槽601的部分表面形成微纳结构602，如图14-图15所示；
具体地，微纳结构602可为硅黑(图14)，或铂黑(图15)，或其它有利于增大表面的材料。其中，硅黑通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法图形化衬底二60形成，其截面形状包括但不限于矩形、三角形、梯形的一种，在本实施例中，硅黑通过湿法腐蚀的方法制备，其截面形状为三角形；铂黑通过电镀的方法形成。
需要说明的是，通过键合工艺将本体M及盖板N的支撑柱603进行组装，即可完成MEMS真空计的制作。图16展示了图5所示本体M与图15所示盖板N的组装结果，其它组合不再一一赘述。需要说明的是，当采用图5所示的本体M时，所形成的真空计为皮拉尼真空计；当采用图11所示的本体M时，所形成的真空计为热电堆真空计。
本发明基于MEMS技术制造的真空计具有体积小、功耗低、灵敏度高、响应速度快等优点，且制备过程简单，可控性强，工艺兼容性高；此外，本发明的MEMS真空计可实现宽量程，原因如下：一方面，本发明通过正面腐蚀方法形成腔体，并利用键合工艺在MEMS真空计上设置硅盖板，因而可以获得较小的加热器与衬底/盖板热沉之间的垂直距离，有利于提高MEMS真空计的测量上限；另一方面，通过在盖板上形成微纳结构，有利于增大加热器与热沉间气体热传导的面积，即有利于增加气体的热传导，从而提高MEMS真空计的测量下限。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度的产业利用价值。
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 (10)
1.一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，包括本体和键合在本体上方的盖板，所述本体包括具有腔体的衬底一，形成于衬底一及腔体上表面的介质层，以及形成于介质层上表面、且局部位于腔体上方的热敏部件；所述盖板包括衬底二，衬底二设有凹槽，从而形成环形支撑柱；所述衬底二下表面通过环形支撑柱与所述本体键合，位于热敏部件上方的衬底二下表面形成有微纳结构，微纳结构形成于凹槽的部分表面，所述支撑柱之间存在导气通道。
2.根据权利要求1所述的一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，所述微纳结构为硅黑或铂黑，所述硅黑通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法图形化衬底二下表面形成，所述衬底二采用单面抛光或双面抛光的硅衬底，所述硅黑的截面形状为矩形、三角形、梯形的一种；所述铂黑通过电镀的方法形成。
3.根据权利要求1所述的一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，所述热敏部件为加热器一，所述加热器一的材料为掺杂多晶硅或金属。
4.根据权利要求1所述的一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，所述热敏部件包括局部位于腔体上方的加热器二和位于加热器二周围的热电堆，所述热电堆包括第一热电偶臂和位于第一热电偶臂上方的第二热电偶臂，所述第一热电偶臂和第二热电偶臂之间通过绝缘层隔离，且所述绝缘层上开设用于连接第一热电偶臂和第二热电偶臂的接触孔。
5.根据权利要求1所述的一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，所述腔体由衬底一的上表面向内凹入一定深度形成。
6.根据权利要求1所述的一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，所述衬底一采用单面抛光或双面抛光的硅衬底，所述介质层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。
7.根据权利要求4所述的一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，所述绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。
8.一种如权利要求1所述的宽量程的MEMS真空计的制作方法，其特征在于，包括本体的制备、盖板的制备，以及本体与盖板的键合；
所述本体的制备包括如下步骤：
S1、提供一衬底一，并于衬底一上形成介质层；
S2、于介质层上局部形成热敏部件；
S3、对部分介质层进行刻蚀形成释放孔，通过释放孔对衬底一进行释放形成腔体；
所述盖板的制备包括如下步骤：
S4、提供一衬底二，于衬底二上刻蚀凹槽以形成具有导气通道的环形支撑柱；S5、在衬底二部分下表面上形成微纳结构；
最后，将盖板的支撑柱通过键合工艺与本体进行组装，组装后微纳结构位于热敏部件上方。
9.根据权利要求8所述的一种宽量程的MEMS真空计的制作方法，其特征在于，步骤S2中，所述热敏部件为加热器一，所述加热器一的材料为掺杂多晶硅或金属，掺杂多晶硅通过低压力化学气相沉积、离子注入、退火、刻蚀工艺的组合方法形成，金属通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成。
10.根据权利要求8所述的一种宽量程的MEMS真空计的制作方法，其特征在于，步骤S2中，所述热敏部件包括局部位于腔体上方的加热器二和位于加热器二周围的热电堆，具体制备方法如下：
（1）通过低压力化学气相沉积、离子注入、退火、刻蚀工艺的组合在介质层上形成掺杂多晶硅，其中，部分所述掺杂多晶硅作为加热器二，部分所述掺杂多晶硅作为第一热电偶臂；
（2）通过低压力化学气相沉积或等离子体化学气相沉积的方法在掺杂多晶硅上形成绝缘层，并采用干法刻蚀形成接触孔；
（3）通过剥离工艺，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法在绝缘层上形成金属层，其中，部分所述金属层作为第二热电偶臂，与第一热电偶臂共同形成热电堆，部分所述金属层作为电极。
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