CN115508001A - 基于mems的高灵敏度电容薄膜真空计及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计及其制作方法，电容薄膜真空计包括上下两侧的感压薄膜，感压薄膜相对的面上分别依次沉积金属电极、绝缘层、助粘层和粘接层，绝缘层覆盖于金属电极和感压薄膜的整个表面，助粘层和粘接层位于感压薄膜的外周边缘位置，上下两侧的粘接层之间通过真空焊接键合有支撑层，由上下两侧的绝缘层以及外周边缘的助粘层、粘接层和支撑层共同围成了真空腔，金属电极位于真空腔区域的上下两侧且局部延伸至感压薄膜的边缘外侧。本发明所公开的真空计通过双侧感压薄膜感应外部压力的变化，可达到提高电容变化量、提升真空计灵敏度，且制作过程简单，生产成本低，可批量化生产，与现行成熟的微加工工艺兼容。
Description
技术领域
本发明涉及真空测量技术领域，特别涉及一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计及其制作方法。
背景技术
真空测量是航空航天、高能物理等领域发展的基本需求。真空计种类繁多，其中，电容薄膜真空计因具有准确度高、线性度好、输出重复性稳定、长期稳定性优异、测量范围大以及无气体选择性等诸多优点而得到广泛应用。电容薄膜真空计主要由三个元件组成：感压薄膜，位于底部的支撑基底和被二者包围的真空腔，感压薄膜上开设进气腔，支撑基底上沉积有金属电极。感压薄膜可在外部环境压力的作用下产生形变，当外部环境压力与真空腔压力相同时，感压薄膜与底部的金属电极可近似为一个平板电容，此时的电容值称为初始电容值；当外部压力与真空腔压力不同时，感压薄膜将会在压力差的作用下产生形变，进而使得电容值发生变化，根据电容值的变化就可以换算出外部环境的压力。
灵敏度是真空计的重要指标，目前对于真空计，人们主要研究了三种技术方案：
第一种为前述的基于挠度理论的单侧感压薄膜结构，其在工作时，依靠真空腔内外压差使得顶部感压薄膜产生形变进而使得电容产生变化，然而由于薄膜形变造成的电容变化量较小，因此其灵敏度不高；
第二种为采用双侧电极的差动式结构，其与单侧感压薄膜结构类似，只是在进气腔与感压薄膜之间增加了一个金属电极，该种结构对灵敏度指标并没有明显提高。
第三种为采用力平衡反馈的静电力平衡结构，与单侧感压薄膜结构相比，其在进气腔与感压薄膜之间增加了伺服电极，其可通过伺服电极对感压薄膜施加静电力来使得感压薄膜受力平衡，从而使得真空计电容维持不变，因此通过测量对伺服电极所施加的电压便可换算出外部压力，由其工作过程易知，该真空计与具备单侧感压薄膜结构的真空计类似，其灵敏度也没得到明显提升。
目前，随着应用的不断推广和深入，人们对真空计的灵敏度的要求进一步提高，上述结构的真空计无法满足人们对灵敏度的要求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计及其制作方法，通过双侧感压薄膜感应外部压力的变化，可达到提高电容变化量、提升真空计灵敏度的目的。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计，包括上下两侧的感压薄膜，所述感压薄膜相对的面上分别依次沉积金属电极、绝缘层、助粘层和粘接层，所述绝缘层覆盖于金属电极和感压薄膜的整个表面，所述助粘层和粘接层位于感压薄膜的外周边缘位置，上下两侧的粘接层之间通过真空焊接键合有支撑层，由上下两侧的绝缘层以及外周边缘的助粘层、粘接层和支撑层共同围成了真空腔，所述金属电极位于真空腔区域的上下两侧且局部延伸至感压薄膜的边缘外侧。
上述方案中，所述感压薄膜为陶瓷感压薄膜，包括氧化铝陶瓷，碳化硅陶瓷，氮化硅陶瓷中的一种。
上述方案中，所述感压薄膜的形状为圆形、方形或多边形。
上述方案中，所述金属电极的材料为铝，银，金，钼，钛，铂，铬，钨中的一种或多种组合。
上述方案中，所述绝缘层的材料为二氧化硅、氮化硅中的一种或两种组合。
上述方案中，所述助粘层的材料为镍、铬中的一种。
上述方案中，所述粘接层的材料为预成型焊料，包括金锡焊料或铜锡焊料。
上述方案中，所述支撑层的材料为不锈钢304、不锈钢316L、弹簧钢65Mn中的一种。
一种如上所述的基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计的制作方法，包括如下步骤：
S1、提供一对感压薄膜，并对其进行抛光，减薄；
S2、在感压薄膜的上表面分别沉积金属电极；
S3、在沉积金属电极后的感压薄膜上表面分别沉积绝缘层；
S4、在绝缘层的外周边缘分别淀积助粘层；
S5、在所述助粘层上形成粘接层；
S6、通过等离子体刻蚀得到支撑层，并在高真空环境下将支撑层校准夹持在一对感压薄膜的粘接层之间，进行焊接键合，形成密闭的真空腔。
上述方案中，步骤S6中，真空度为10-4Pa，焊接键合温度为320℃
通过上述技术方案，本发明提供的一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计及其制作方法具有如下有益效果：
1、本发明基于MEMS技术制造的电容薄膜真空计，具有响应快，测量范围广，无气体选择性以及灵敏度高等优点，且制备过程简单，生产成本低，批量化生产可行性强，与现行成熟的微加工工艺兼容。
2、相比现有电容式真空计中常见的电容变化检测方式，本发明基于MEMS技术形成的双侧感压薄膜，在相同的压力下可有效提高上下极板之间的极间位移变化，进而在压力检测时产生更大的电容变化量，其原因在于：上下感压薄膜均能在测试环境压力的作用下产生较大形变，与单侧感压薄膜的结构相比，在相同压力作用下，本发明的上下金属电极之间的间距变化量为单侧感压薄膜的两倍，其电容变化量同样也约为其两倍。因此，本发明的具备双侧感压薄膜的电容薄膜真空计可有效提高真空计灵敏度。
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为本发明实施例所公开的一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计的制作方法流程示意图；
图2为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S1提供的感压薄膜的俯视图；(a)感压薄膜A；(b)感压薄膜B；
图3为图2的剖面示意图；(a)感压薄膜A；(b)感压薄膜B；
图4为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S2制得结构的俯视图；
图5为图4的C-C剖面示意图；(a)感压薄膜A；(b)感压薄膜B；
图6为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S3制得结构的俯视图；
图7为图6的C-C剖面示意图；(a)感压薄膜A；(b)感压薄膜B；
图8为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S4制得结构的俯视图；
图9为图8的C-C剖面示意图；(a)感压薄膜A；(b)感压薄膜B；
图10为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S5制得结构的俯视图；
图11为图10的C-C剖面示意图；(a)感压薄膜A；(b)感压薄膜B；
图12为本发明实施例所公开的制备方法中步骤S6制得结构的俯视图；
图13为图12的C-C剖面示意图。
图中，10、感压薄膜；20、金属电极；30、绝缘层；40、助粘层；50、粘接层；60、支撑层；70、真空腔。
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。
本发明提供了一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计，如图13所示，包括：
上下两侧的感压薄膜10，感压薄膜10相对的面上淀积有金属电极20，金属电极20在抛光后的感压薄膜10的表面通过金属沉积而成；
绝缘层30，沉积覆盖于抛光后的感压薄膜10以及金属电极20的整个表面，可避免上下金属电极20接触时造成真空计短路。
助粘层40，淀积于绝缘层30的表面，且位于感压薄膜10的外周边缘位置；
粘接层50，形成于助粘层40的表面，是构造密闭真空腔的关键；
支撑层60，焊接键合于上下两侧的粘接层50之间，支撑层60通过等离子体刻蚀形成，支撑上下感压薄膜10，与感压薄膜10、绝缘层30、助粘层40、粘接层50共同围成了真空腔70，是真空腔70的骨架。金属电极20位于真空腔70区域的上下两侧且局部延伸至感压薄膜10的边缘外侧，用于与外部连接，测量电容变化。
具体地，感压薄膜10为常见的陶瓷材料，包括但不限于氧化铝陶瓷，碳化硅陶瓷，氮化硅陶瓷中的一种。在本发明的实施例中，感压薄膜10为氧化铝陶瓷。
具体地，感压薄膜10的形状包括但不限于圆形，方形及多边形的一种；在本发明的实施例中，感压薄膜10的形状为圆形。
具体地，金属电极20的材料为铝，银，金，钼，钛，铂，铬，钨中的一种或多种组合；在本发明的实施例中，金属电极的材料为金。
具体地，金属电极20的形状包括但不限于球拍形，方形，圆环形，多边形中的一种；在本发明的实施例中，金属电极20的形状为球拍形。
具体地，绝缘层30的材料为二氧化硅、氮化硅等绝缘材料中的一种或两种组合；在本发明的实施例中，绝缘层30的材料为二氧化硅。
具体地，助粘层40的材料为镍、铬中的一种；在本发明的实施例中，助粘层40采用镍。
具体地，粘接层50的材料为一种预成型焊料，可以是金锡焊料、铜锡焊料中的一种；在本发明的实施例中，粘接层50的材料为Au80Sn20金锡预成型焊料。
具体地，支撑层60的材料为不锈钢304、不锈钢316L，弹簧钢65Mn中的一种；在本发明的实施例中，支撑层60的材料为不锈钢304。
本发明还提供了上述基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计的制作方法，如图1所示，包括如下步骤：
S1、提供一对感压薄膜10，并对其进行抛光，减薄，如图2和图3所示的感压薄膜A和感压薄膜B：
具体地，感压薄膜10为常见的陶瓷材料，包括但不限于氧化铝陶瓷，碳化硅陶瓷，氮化硅陶瓷中的一种，其中，氧化铝陶瓷可通过注浆，热压铸、轧膜、干压、等静压、流延、注射和凝胶注模等方法形成，碳化硅陶瓷可通过反应烧结、常压烧结、热压烧结、热等静压烧结、放电等离子烧结、振荡压力烧结等方法形成，氮化硅陶瓷可通过反应烧结法、热压烧结法和常压烧结法、气压烧结法等方法形成。在本发明的实施例中，感压薄膜10为氧化铝陶瓷。
S2、于一对感压薄膜10上表面分别沉积金属电极20，如图4和图5所示：
具体地，金属电极20的材料为铝，银，金，钼，钛，铂，铬，钨中的一种或多种组合，其中，铝，银，金，钼，钛，铂，铬，钨均可通过剥离工艺形成，或通过金属溅射，金属蒸发或电镀的方法形成；在本发明的实施例中，金属电极20为金属溅射形成的金薄膜。
S3、于一对沉积金属电极20后的感压薄膜10的表面分别沉积绝缘层30，如图6和图7所示：
具体地，绝缘层30的材料为二氧化硅、氮化硅等绝缘材料中的一种或两种组合，其中，二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；在本发明的实施例中，绝缘层30的材料为低压力化学气相沉积形成的二氧化硅。
S4、于绝缘层30的外周边缘淀积助粘层40，如图8和图9所示：
具体地，助粘层40的材料为镍、铬中的一种；其中，镍、铬等金属均可通过剥离工艺形成，或通过金属溅射，金属蒸发或电镀的方法形成；在本发明的实施例中，助粘层40采用金属溅射形成的镍薄膜。
S5、于助粘层40上形成粘接层50，如图10和图11所示：
具体地，粘接层50的材料为一种预成型焊料，可以是金锡焊料、铜锡焊料中的一种；在本发明的实施例中，粘接层50的材料为Au80Sn20金锡预成型焊料。
S6、通过等离子体刻蚀的方法得到支撑层60，并在高真空环境下将支撑层60校准夹持在一对形成粘接层50后的感压薄膜10的粘接层50之间，进行焊接键合，形成密闭的真空腔70，如图12和图13所示：
具体地，支撑层60的材料为不锈钢304、不锈钢316L，弹簧钢65Mn中的一种，其中，不锈钢304支撑层、不锈钢316L支撑层以及弹簧钢65Mn支撑层均可通过等离子体刻蚀的方法得到；在本发明的实施例中，支撑层60为通过等离子体刻蚀制备的不锈钢304支撑结构。
需要说明的是，形成真空腔70的原理是：在10-4Pa下的高真空环境与320℃左右的高温条件下，对校准后的支撑层60和粘接层50进行焊接键合，一方面，高真空环境会使得真空腔70中的气压很小，检测下限拓宽，另一方面，高温环境会使得预成型焊料充分融化，使得真空计各部分结构充分粘接，使真空腔70内形成真空密闭状态。
如上，本发明的基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计，具有响应快，测量范围广，无气体选择性以及灵敏度高等优点，且制备过程简单，生产成本低，批量化生产可行性强，与现行成熟的微加工工艺兼容；相比现有电容式真空计中常见的电容变化检测方式，本发明基于MEMS技术形成的双侧感压薄膜，在相同的压力下可有效提高上下极板之间的极间位移变化，进而在压力检测时产生更大的电容变化量，其原因在于：上下陶瓷感压薄膜均能在测试环境压力的作用下产生较大形变，与单侧陶瓷感压薄膜的结构相比，在相同压力作用下，其上下电极之间的间距变化量为其两倍，其电容变化量同样也为其两倍。因此，本发明的具备双侧感压薄膜的电容薄膜真空计可有效提高真空计灵敏度。
所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
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)
1.一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计，其特征在于，包括上下两侧的感压薄膜，所述感压薄膜相对的面上分别依次沉积金属电极、绝缘层、助粘层和粘接层，所述绝缘层覆盖于金属电极和感压薄膜的整个表面，所述助粘层和粘接层位于感压薄膜的外周边缘位置，上下两侧的粘接层之间通过真空焊接键合有支撑层，由上下两侧的绝缘层以及外周边缘的助粘层、粘接层和支撑层共同围成了真空腔，所述金属电极位于真空腔区域的上下两侧且局部延伸至感压薄膜的边缘外侧。
2.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计，其特征在于，所述感压薄膜为陶瓷感压薄膜，包括氧化铝陶瓷，碳化硅陶瓷，氮化硅陶瓷中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计，其特征在于，所述感压薄膜的形状为圆形、方形或多边形。
4.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计，其特征在于，所述金属电极的材料为铝，银，金，钼，钛，铂，铬，钨中的一种或多种组合。
5.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计，其特征在于，所述绝缘层的材料为二氧化硅、氮化硅中的一种或两种组合。
6.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计，其特征在于，所述助粘层的材料为镍、铬中的一种。
7.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计，其特征在于，所述粘接层的材料为预成型焊料，包括金锡焊料或铜锡焊料。
8.根据权利要求1所述的一种基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计，其特征在于，所述支撑层的材料为不锈钢304、不锈钢316L、弹簧钢65Mn中的一种。
9.一种如权利要求1所述的基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、提供一对感压薄膜，并对其进行抛光，减薄；
S2、在感压薄膜的上表面分别沉积金属电极；
S3、在沉积金属电极后的感压薄膜上表面分别沉积绝缘层；
S4、在绝缘层的外周边缘分别淀积助粘层；
S5、在所述助粘层上形成粘接层；
S6、通过等离子体刻蚀得到支撑层，并在高真空环境下将支撑层校准夹持在一对感压薄膜的粘接层之间，进行焊接键合，形成密闭的真空腔。
10.根据权利要求9所述的基于MEMS的高灵敏度电容薄膜真空计的制作方法，其特征在于，步骤S6中，真空度为10-4Pa，焊接键合温度为320℃。
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