CN116007831A - 一种复合式mems真空规及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及真空计量技术领域，具体而言，涉及一种复合式MEMS真空规及其制作方法，所示真空规包括MEMS电容薄膜真空规和MEMS皮拉尼真空规，其中：电容薄膜真空规和皮拉尼真空规设置在同一硅基底上；电容薄膜真空规包括真空参考腔和电容间隙，真空参考腔与电容间隙之间的硅基底上设置有感压薄膜，电容间隙内设置有固定电极；皮拉尼真空规包括承载膜、压敏电阻、引出电极以及参考电阻，承载膜设置在硅基底上，下方设置有腔体，压敏电阻设置在承载膜上，引出电极和参考电阻均设置在硅基底上，压敏电阻和参考电阻均与引出电极连接。本申请结合MEMS电容薄膜真空规和MEMS皮拉尼真空规，采用一个传感器就可以同时精确测量待测气体的真空压力和待测气体的种类。
Description
技术领域
本申请涉及真空计量技术领域，具体而言，涉及一种复合式MEMS真空规及其制作方法。
背景技术
电容式真空规具有精度高、线性度好、重复性好、长期稳定性好等特点。它可以测量气体或蒸汽的总压力，测量结果与气体成分和类型无关。皮拉尼真空规具有制作简单，压力测量结果与气体成分相关的特点。这两种真空规同时使用，可以利用电容真空规的特点获得待测气体的精确压力，而利用皮拉尼真空规可以分辨待测气体的成分，这种组合可以实现气体的精确压力测量以及定性测量，对于单一气体，可以实现质谱计的测量效果。微机电系统(MEMS)技术的发展使电容式真空规和皮拉尼真空规能够集成在同一芯片上，实现微小化和集成化。
发明内容
本申请提供了一种复合式MEMS真空规及其制作方法，能够实现1-105Pa范围内绝对真空度的测量，同时能够分辨待测气体的种类。
为了实现上述目的，本申请提供了一种复合式MEMS真空规，包括MEMS电容薄膜真空规和MEMS皮拉尼真空规，其中：MEMS电容薄膜真空规和MEMS皮拉尼真空规设置在同一硅基底上；MEMS电容薄膜真空规包括真空参考腔和电容间隙，真空参考腔与电容间隙之间的硅基底上设置有感压薄膜，电容间隙内设置有固定电极；MEMS皮拉尼真空规包括承载膜、压敏电阻、引出电极以及参考电阻，承载膜设置在硅基底上，下方设置有腔体，压敏电阻设置在承载膜上，引出电极和参考电阻均设置在硅基底上，压敏电阻和参考电阻相互连接，压敏电阻和参考电阻均与引出电极连接。
进一步的，真空参考腔由上盖玻璃和硅基底在高真空环境下通过阳极键合形成。
进一步的，MEMS电容薄膜真空规还包括固定电极引出焊盘和薄膜电极引出焊盘，用于引出电容信号。
进一步的，参考电阻上方设置有电阻覆盖玻璃，电阻覆盖玻璃与硅基底进行阳极键合。
进一步的，还包括基底玻璃，基底玻璃设置在硅基底下方，与硅基底进行阳极键合。
进一步的，感压薄膜和承载膜均为正方形硅薄膜，感压薄膜的四角进行圆角化处理。
进一步的，固定电极的材料为铝，压敏电阻和参考电阻的材料为金属镍。
此外，本申请还提供了一种复合式MEMS真空规制作方法，包括如下步骤：步骤1：选用SOI作为基底的材料，采用光刻的方式在SOI背面获得感压薄膜以及承载膜的图形，再采用干法刻蚀得到电容间隙和腔体；步骤2：选取BF33玻璃作为基底玻璃，并采用光刻的方式获得固定电极图形，采用磁控溅射和电极剥离技术得到固定电极；步骤3：采用阳极键合将SOI片和基底玻璃进行键合，完成键合后的基底晶片再进行另一面的光刻获得真空参考腔的图形，通过腐蚀得到真空参考腔；步骤4：对完成腐蚀的基底晶片进行光刻，获得压敏电阻、参考电阻和引出电极的图形，采用磁控溅射以及电极剥离技术得到压敏电阻、参考电阻和引出电极，将电阻覆盖玻璃与硅基底进行阳极键合从而完成对参考电阻的完全覆盖；步骤5：在高真空环境下，将上盖玻璃与硅基底进行阳极键合，获得具有高真空度的真空参考腔；步骤6：对整个基底晶片进行划片，得到单独的复合式MEMS真空规，通过铝丝压焊将真空规电极引出到电路板上，完成复合式MEMS真空规的制作。
本发明提供的一种复合式MEMS真空规及其制作方法，具有以下有益效果：
本申请结合MEMS电容薄膜真空规和MEMS皮拉尼真空规，采用一个传感器就可以同时精确测量待测气体的真空压力和待测气体的种类，和具有相同功能的质谱计相比，本申请结构更小，成本更低，MEMS电容薄膜真空规和MEMS皮拉尼真空规集成在同一硅基底上，可以采用同一套工艺进行同时制作，提高加工了效率，节约了成本。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，使得本申请的其它特征、目的和优点变得更明显。本申请的示意性实施例附图及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本申请实施例提供的复合式MEMS真空规的结构示意图；
图2是根据本申请实施例提供的复合式MEMS真空规的A-A的剖视图；
图3是根据本申请实施例提供的复合式MEMS真空规校准时，校准气体为氮气时的测试图；
图4是根据本申请实施例提供的复合式MEMS真空规校准时，校准气体为二氧化碳时的测试图；
图中：1-压敏电阻、2-MEMS皮拉尼真空规、3-MEMS电容薄膜真空规、4-感压薄膜、5-引出电极、6-参考电阻、7-电阻覆盖玻璃、8-固定电极引出焊盘、9-薄膜电极引出焊盘、10-硅基底、11-承载膜、12-真空参考腔、13-上盖玻璃、14-基底玻璃、15-腔体、16-固定电极、17-电容间隙。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请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申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。
需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。
另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
如图1-图2所示，本申请提供了一种复合式MEMS真空规，包括MEMS电容薄膜真空规3和MEMS皮拉尼真空规2，其中：MEMS电容薄膜真空规3和MEMS皮拉尼真空规2设置在同一硅基底10上；MEMS电容薄膜真空规3包括真空参考腔12和电容间隙17，真空参考腔12与电容间隙17之间的硅基底10上设置有感压薄膜4，电容间隙17内设置有固定电极16；MEMS皮拉尼真空规2包括承载膜11、压敏电阻1、引出电极5以及参考电阻6，承载膜11设置在硅基底10上，下方设置有腔体15，压敏电阻1设置在承载膜11上，引出电极5和参考电阻6均设置在硅基底10上，压敏电阻1和参考电阻6相互连接，压敏电阻1和参考电阻6均与引出电极5连接。
具体的，本申请实施例提供的复合式MEMS真空规MEMS电容薄膜真空规3和MEMS皮拉尼真空规2组成，可用于粗低真空下的气体成分的定性测量，实现1～105Pa范围内绝对真空度的测量，测量准确度高、线性好、输出的重复性和长期稳定性好，并且，还能够识别待测气体的种类，便于集成化批量生产，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，以及需要辨别待测气体种类的场合中。其中，MEMS电容薄膜真空规3具有测量结果与气体成分无关的特点，而MEMS皮拉尼真空规2具有测量结果与气体成分相关的特点，MEMS电容薄膜真空规3可以获得待测环境气体的准确真空压力，而MEMS皮拉尼真空规2的输出特性可以分辨待测环境的气体成分，MEMS电容薄膜真空规3和MEMS皮拉尼真空规2均采用MEMS工艺制作，并集成在同一基底芯片上。MEMS电容薄膜真空规3整体为玻璃-硅-玻璃的结构，感压薄膜4作为可移动的上电极与固定电极16以及电容间隙17组成真空规的敏感电容，测量时，环境气体进入电容间隙17，引起感压薄膜4的变形，组成的敏感电容整体会发生变化，根据变化的相关情况，实现真空压力的测量；MEMS皮拉尼真空规2设置在同一基底上，位于MEMS电容薄膜真空规3一侧，压敏电阻1作为敏感电阻，参考电阻6用于构成电桥，承载膜11用于承载压敏电阻1，腔体15用于隔绝压敏电阻1与硅基底10，使压敏电阻1只与环境气体接触，提高测量的准确性，引出电极5用于引出压敏电阻1与参考电阻6的电信号，同时用于将电信号通过铝丝键合引出到电路板上，测量时，环境气体直接与压敏电阻1接触，通过皮拉尼原理实现气体压力的测量，实现环境气体成分的确定。
进一步的，真空参考腔12由上盖玻璃13和硅基底10在高真空环境下通过阳极键合形成。真空参考腔12内部压力一般比测量下限低2个数量级，用于给绝压式真空测量提供参考压力，由上盖玻璃13和硅基底10在高真空环境下通过阳极键合形成，阳极键合通过在300-400℃高温环境下在硅和玻璃上施加直流电压将硅和玻璃键合在一起，具有很好的密封性，可以为MEMS电容薄膜真空计提供具有良好密封性的真空参考腔12。
进一步的，MEMS电容薄膜真空规3还包括固定电极引出焊盘8和薄膜电极引出焊盘9，用于引出电容信号。固定电极引出焊盘8和薄膜电极引出焊盘9通过铝丝键合，与外部的电路板连接。测量时，环境气体由固定电极引出焊盘8进入电容间隙17中，引起感压薄膜4的变形，导致敏感电容发生变化，而变化的电容信号分别由固定电极引出焊盘8和薄膜电极引出焊盘9引出，从而实现真空压力的测量。
进一步的，参考电阻6上方设置有电阻覆盖玻璃7，电阻覆盖玻璃7与硅基底10进行阳极键合。电阻覆盖玻璃7与硅基底10进行阳极键合，从而完成对参考电阻6的完全覆盖。电阻覆盖玻璃7主要在起到密封作用的同时，还能够对参考电阻进行保护。
进一步的，还包括基底玻璃14，基底玻璃14设置在硅基底10下方，与硅基底10进行阳极键合。基底玻璃14主要用于溅射固定电极16。
进一步的，感压薄膜4和承载膜11均为正方形硅薄膜，感压薄膜4的四角进行圆角化处理。在本申请实施例中，感压薄膜4优选采用正方形薄膜，薄膜的边长优选为1500μm，厚度优选为5μm，感压薄膜4四角的圆角半径优选为10μm，而与感压薄膜4相邻的承载膜11同样优选为正方形，边长优选为1000μm，厚度优选为5μm。
进一步的，固定电极16的材料为铝，压敏电阻1和参考电阻6的材料为金属镍。在本申请实施例中，固定电极16的材料优选为铝，与感压薄膜4之间的间隙优选为4μm，压敏电阻1和参考电阻6的材料优选为金属镍，膜厚优选为250nm，导线宽度优选为6μm，压敏电阻1和参考电阻6的导线长度分别优选为40005μm和20005μm。
此外，本申请实施例还提供了一种复合式MEMS真空规制作方法，包括如下步骤：
步骤1：选用4寸的SOI作为基底的材料，采用光刻的方式在SOI背面获得感压薄膜4以及承载膜11的图形，再采用干法刻蚀得到电容间隙17和腔体15；
步骤2：选取4寸的BF33玻璃作为基底玻璃14，并采用光刻的方式获得固定电极16图形，采用磁控溅射和电极剥离技术得到固定电极16；
步骤3：采用阳极键合将SOI片和基底玻璃14进行键合，完成键合后的基底晶片再进行另一面的光刻获得真空参考腔12的图形，通过腐蚀得到真空参考腔12；
步骤4：对完成腐蚀的基底晶片进行光刻，获得压敏电阻1、参考电阻6和引出电极5的图形，采用磁控溅射以及电极剥离技术得到压敏电阻1、参考电阻6和引出电极5，将电阻覆盖玻璃7与硅基底10进行阳极键合从而完成对参考电阻6的完全覆盖；
步骤5：在高真空环境下，将上盖玻璃13与硅基底10进行阳极键合，获得具有高真空度的真空参考腔12；
步骤6：对整个基底晶片进行划片，得到单独的复合式MEMS真空规，通过铝丝压焊将真空规电极引出到电路板上，完成复合式MEMS真空规的制作。
具体的，通过金属膨胀校准系统对本申请实施例步骤制作的复合式MEMS真空规进行性能测试，如图3-图4所示，通过测量的结果可以看出，本申请实施例提供的复合式MEMS真空规能够精确测量1-105Pa内的真空压力，并且，在校准气体分别为氮气和二氧化碳时，MEMS皮拉尼真空规2分别呈现不同的测量结果，而MEMS电容薄膜真空规3呈现相同的测量结果，这说明MEMS电容薄膜真空规3的测量结果与待测气体成分无关，而MEMS皮拉尼真空规2的测量结果与待测气体成分相关；通过进行多种不同气体的校准测试，得到MEMS皮拉尼真空规2在不同气体环境下的测量特性，在进行实际测量时，通过比对实际测量结果与该测量特性，即可知道待测气体成分，同时由于MEMS电容薄膜真空规3测量结果不随气体成分变化，即可同时实现待测气体精确真空压力的测量以及待测气体种类的识别。
以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种复合式MEMS真空规，其特征在于，包括MEMS电容薄膜真空规和MEMS皮拉尼真空规，其中：
所述MEMS电容薄膜真空规和所述MEMS皮拉尼真空规设置在同一硅基底上；
所述MEMS电容薄膜真空规包括真空参考腔和电容间隙，所述真空参考腔与所述电容间隙之间的硅基底上设置有感压薄膜，所述电容间隙内设置有固定电极；
所述MEMS皮拉尼真空规包括承载膜、压敏电阻、引出电极以及参考电阻，所述承载膜设置在硅基底上，下方设置有腔体，所述压敏电阻设置在所述承载膜上，所述引出电极和所述参考电阻均设置在硅基底上，所述压敏电阻和所述参考电阻相互连接，所述压敏电阻和所述参考电阻均与所述引出电极连接。
2.根据权利要求1所述的复合式MEMS真空规，其特征在于，所述真空参考腔由上盖玻璃和硅基底在高真空环境下通过阳极键合形成。
3.根据权利要求1所述的复合式MEMS真空规，其特征在于，所述MEMS电容薄膜真空规还包括固定电极引出焊盘和薄膜电极引出焊盘，用于引出电容信号。
4.根据权利要求1所述的复合式MEMS真空规，其特征在于，所述参考电阻上方设置有电阻覆盖玻璃，所述电阻覆盖玻璃与硅基底进行阳极键合。
5.根据权利要求1所述的复合式MEMS真空规，其特征在于，还包括基底玻璃，所述基底玻璃设置在硅基底下方，与硅基底进行阳极键合。
6.根据权利要求1所述的复合式MEMS真空规，其特征在于，所述感压薄膜和所述承载膜均为正方形硅薄膜，所述感压薄膜的四角进行圆角化处理。
7.根据权利要求1所述的复合式MEMS真空规，其特征在于，所述固定电极的材料为铝，所述压敏电阻和所述参考电阻的材料为金属镍。
8.一种如权利要求1-7任一项所述的复合式MEMS真空规制作方法，包括如下步骤：
步骤1：选用SOI作为基底的材料，采用光刻的方式在SOI背面获得感压薄膜以及承载膜的图形，再采用干法刻蚀得到电容间隙和腔体；
步骤2：选取BF33玻璃作为基底玻璃，并采用光刻的方式获得固定电极图形，采用磁控溅射和电极剥离技术得到固定电极；
步骤3：采用阳极键合将SOI片和基底玻璃进行键合，完成键合后的基底晶片再进行另一面的光刻获得真空参考腔的图形，通过腐蚀得到真空参考腔；
步骤4：对完成腐蚀的基底晶片进行光刻，获得压敏电阻、参考电阻和引出电极的图形，采用磁控溅射以及电极剥离技术得到压敏电阻、参考电阻和引出电极，将电阻覆盖玻璃与硅基底进行阳极键合从而完成对参考电阻的完全覆盖；
步骤5：在高真空环境下，将上盖玻璃与硅基底进行阳极键合，获得具有高真空度的真空参考腔；
步骤6：对整个基底晶片进行划片，得到单独的复合式MEMS真空规，通过铝丝压焊将真空规电极引出到电路板上，完成复合式MEMS真空规的制作。
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| CN116007831B (zh) | 2024-04-16 |
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