CN118275032A - 一种光学真空计 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学真空计，涉及真空传感芯片技术领域，以解决现有技术中的真空计测量精度低的问题。光学真空计包括：激光器、MEMS真空传感芯片以及光电位置探测器；将激光器采用第一预设角度倾斜设置于MEMS真空传感芯片的上方，且与MEMS真空传感芯片之间的距离为第一预设距离；将光电位置探测器采用第二预设角度倾斜设置于MEMS真空传感芯片的上方，且与MEMS真空传感芯片之间的距离为第二预设距离；基于第一预设角度、第一预设距离、第二预设角度以及第二预设距离，将激光器发射的激光光束通过MEMS真空传感芯片折射至光电位置探测器；基于此实现了采用光学测量方法测量MEMS传感芯片的变形量，消除了电信号测量固有的噪声干扰，提高了真空计的测量精度。

Description

一种光学真空计

技术领域

本发明涉及真空传感芯片技术领域，尤其是一种光学真空计。

背景技术

真空计是测量气体稀薄程度或气体压力的装置，现代科学研究和工业生产中不可或缺的一部分。真空计广泛应用于半导体生产、医疗设备、光学涂层、化学工业、航空航天以及物理实验等众多领域。例如，在半导体制造中，精确的真空度测量对于确保半导体晶片的制造质量至关重要。按照真空计的工作原理分类，真空计可分为热导式、物理性质改变式以及离子化式等。热导式真空计是利用气体的热导率随压力变化的原理来测量压力，已广泛应用，例如热电偶真空计和皮拉尼(Pirani)真空计等等。

目前常用的热导式真空计通常为热偶或热敏电阻敏感结构，配合电学检测电路进行真空度检测，然而电学检测方式易受磁场和电场等环境因素的影响，并且电学检测电路存在固有的电路噪声，导致热导式真空计的测量精度低，不能用于对测量精度要求高的应用场景；因此如何提高真空计的测量精度是目前亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光学真空计，用于解决现有技术中的真空计测量精度低的问题。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供的一种光学真空计，可以包括：

激光器、MEMS真空传感芯片以及光电位置探测器；

所述激光器采用第一预设角度倾斜设置于所述MEMS真空传感芯片的上方，且与所述MEMS真空传感芯片之间的距离为第一预设距离；所述光电位置探测器采用第二预设角度倾斜设置于所述MEMS真空传感芯片的上方，且与所述MEMS真空传感芯片之间的距离为第二预设距离；

基于第一预设角度、第一预设距离、第二预设角度以及第二预设距离，将所述激光器发射的激光光束通过所述MEMS真空传感芯片折射至所述光电位置探测器。

与现有技术相比，本发明提供的一种光学真空计，其光学真空计中包括激光器、MEMS真空传感芯片以及光电位置探测器等结构；通过将激光器采用第一预设角度倾斜设置于MEMS真空传感芯片的上方，且与MEMS真空传感芯片之间的距离为第一预设距离；进一步将光电位置探测器采用第二预设角度倾斜设置于MEMS真空传感芯片的上方，且与MEMS真空传感芯片之间的距离为第二预设距离；基于第一预设角度、第一预设距离、第二预设角度以及第二预设距离，将激光器发射的激光光束通过MEMS真空传感芯片折射至光电位置探测器；因为在不同真空度下，MEMS真空传感芯片因换热量不同，导致芯片温度不同，该变化温度引起MEMS真空传感芯片中双材料悬臂梁的变形量不同，从而可以通过光学检测方法(PSD)测量出MEMS传感芯片的变形量，基于变形量可计算出光学真空计所处环境的真空度。基于此实现了采用光学测量方法测量MEMS真空传感芯片的变形量，消除了电信号测量固有的噪声干扰，提高了真空计的测量精度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明提供的一种光学真空计的结构示意图；

图2为本发明提供的一种光学真空计的MEMS真空传感芯片的顶面结构以及剖面结构示意图；

图3为本发明提供的一种光学真空计的MEMS真空传感芯片的换热板散热路径示意图。

附图标记：1-激光器、2-MEMS真空传感芯片、3-光电位置探测器、210-双材料悬臂梁、220-回折形隔热梁、2201-L形隔热梁、2202-T形隔热梁、2203-I形隔热梁、230-换热板、240-衬底热沉、250-电阻丝、260-气体腔室。

具体实施方式

为了便于清楚描述本发明实施例的技术方案，在本发明的实施例中，采用了“第一”、“第二”等字样对功能和作用基本相同的相同项或相似项进行区分。例如，第一阈值和第二阈值仅仅是为了区分不同的阈值，并不对其先后顺序进行限定。本领域技术人员可以理解“第一”、“第二”等字样并不对数量和执行次序进行限定，并且“第一”、“第二”等字样也并不限定一定不同。

需要说明的是，本发明中，“示例性的”或者“例如”等词用于表示作例子、例证或说明。本发明中被描述为“示例性的”或者“例如”的任何实施例或设计方案不应被解释为比其他实施例或设计方案更优选或更具优势。确切而言，使用“示例性的”或者“例如”等词旨在以具体方式呈现相关概念。

本发明中，“至少一个”是指一个或者多个，“多个”是指两个或两个以上。“和/或”，描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B的情况，其中A，B可以是单数或者复数。字符“/”一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。“以下至少一项(个)”或其类似表达，是指的这些项中的任意组合，包括单项(个)或复数项(个)的任意组合。例如，a，b或c中的至少一项(个)，可以表示：a，b，c，a和b的结合，a和c的结合，b和c的结合，或a、b和c的结合，其中a，b，c可以是单个，也可以是多个。

现有技术中，热导式真空计的一般工作原理是测定热敏元件(如热丝)由于气体分子热传导而产生的温度变化，其热敏元件通常工作在高于环境温度的某一个温度下，在不同的真空度下，气体分子的密度不同，气体热传导作用不同，从而引起热敏元件温度发生变化，通过测量热敏元件温度的变化，即可推算出真空度。常用的热导式真空计需要配合电学检测电路进行真空度检测，因为电学检测方式易受磁场和电场等环境因素的影响，并且其电路存在电路噪声，从而导致真空计的测量精度降低，无法满足对测量精度要求高的应用场景。

鉴于此，本发明提供一种光学真空计，通过光学检测方法(PSD)测量出该变形量，即可实现真空度测量。较传统热式皮拉尼真空计采用热敏电阻和电学检测方法所引入的噪声限值测量量程减小，本发明采用分辨率极高的光学测量方法测量MEMS传感芯片的变形量，消除了电信号测量固有的噪声干扰，提高了测量精度。接下来结合附图对本发明的技术方案进行详细说明：

请参阅图1，图1为本发明提供的一种光学真空计的结构示意图。

在图1中，所述结构可以包括：

激光器1、MEMS真空传感芯片2以及光电位置探测器3。

所述激光器1采用第一预设角度倾斜设置于所述MEMS真空传感芯片2的上方，且与所述MEMS真空传感芯片2之间的距离为第一预设距离；所述光电位置探测器3采用第二预设角度倾斜设置于所述MEMS真空传感芯片2的上方，且与所述MEMS真空传感芯片2之间的距离为第二预设距离。

基于第一预设角度、第一预设距离、第二预设角度以及第二预设距离，将所述激光器1发射的激光光束通过所述MEMS真空传感芯片2折射至所述光电位置探测器3。

优选的，激光器1可以是单色激光器，光电位置探测器3可以是分辨率极高的光电位置探测器，MEMS真空传感芯片2可以是MEMS真空热敏感结构芯片；其中，激光器1用于向MEMS真空传感芯片2发射激光光束，MEMS真空传感芯片2将激光器1发射的激光光束折射至光电位置探测器3，光电位置探测器3用于检测经所述MEMS真空传感芯片2折射后的激光光束在所述光电位置探测器3上的位置信息。基于此，可以基于位置信息，确定出MEMS真空传感芯片的换热板的变形量，基于该变形量，采用现有技术中的方法即可计算出该光学真空计所在环境的真空度。

需要说明的是，基于第一预设角度、第一预设距离、第二预设角度以及第二预设距离，可以根据光学真空计实际的应用场景进行具体的设置，只要满足在各个真空检测环境下，可以根据第一预设角度、第一预设距离、第二预设角度以及第二预设距离，将所述激光器1发射的激光光束通过所述MEMS真空传感芯片2折射至所述光电位置探测器3即可，本说明书中不做具体限定。

作为示例，请参阅图2，图2为本发明提供的一种光学真空计的MEMS真空传感芯片的顶面结构以及剖面结构示意图。

在图2中，所述MEMS真空传感芯片2可以包括衬底热沉240，所述衬底热沉240上开设有凹槽；以及设置在所述凹槽上方的悬置结构200，所述悬置结构200包括回折形隔热梁220、电阻丝250、换热板230以及双材料悬臂梁210；所述回折形隔热梁220覆盖在所述衬底热沉240上，与所述衬底热沉240之间形成气体腔室260；所述电阻丝250内嵌在所述回折形隔热梁220上,与所述回折形隔热梁220形成一体结构；所述换热板230以及所述双材料悬臂梁210沉积在所述回折形隔热梁220上，与所述回折形隔热梁220形成一体结构。

具体的，所述回折形隔热梁220包括T形隔热梁2202、多个L形隔热梁2201以及多个I形隔热梁2203；其中T形隔热梁2202的表面积大于所述L形隔热梁2201的表面积，以及I形隔热梁2203的表面积；所述T形隔热梁2202位于衬底热沉240上开设的凹槽上方的中央位置，所述T形隔热梁2202的左右两侧通过多个所述L形隔热梁2201以及多个I形隔热梁2203与所述衬底热沉240连接。

需要说明的是，T形隔热梁2202的左右两侧先与多个L形隔热梁连接，最边上的一个L形隔热梁2201通过一个I形隔热梁2203与所述衬底热沉240，其它位置可以不使用I形隔热梁2203；当然在特殊情况下，无法将多个L形隔热梁连接进行连接时，可以使用I形隔热梁作为过渡连接，本说明书中不做具体限定。

进一步，所述换热板230以及所述双材料悬臂梁210沉积在所述回折形隔热梁220上，与所述回折形隔热梁220形成一体结构；具体为：

所述换热板230可以沉积在T形隔热梁2202上，与所述T形隔热梁2202形成一体结构。所述双材料悬臂梁210可以为多个I形双材料悬臂梁，将多个所述I形双材料悬臂梁间隔沉积在多个所述L形隔热梁2201的长边上，与所述L形隔热梁形成一体结构；其中I形双材料悬臂梁的长度可以与L形隔热梁的长边长度相等，也可以不相等。

需要说明的是，MEMS真空传感芯片主要由回折形隔热梁，双材料悬臂梁，换热板，加热电阻丝和支撑结构构成；其中，换热板表面镀层可作为光学测量系统的反射面，双材料悬臂梁可以为热形变梁。

作为更具体的示例，结合图2所示，所述回折形隔热梁包括T形隔热梁、第一L形隔热梁、第二L形隔热梁、第三L形隔热梁、第四L形隔热梁、第五L形隔热梁、第六L形隔热梁、第一I形隔热梁和第二I形隔热梁；其中T形隔热梁的表面积最大且位于回折形隔热梁的中间位置。

如图2的左半部分，首先将第一L形隔热梁的长边与T形隔热梁连接，再将第一L形隔热梁的短边与第二L形隔热梁的长边连接，再将第二L形隔热梁的短边与第三L形隔热梁的长边连接，再将第三L形隔热梁的短边与第一I形隔热梁的一端连接，最后，将第一I形隔热梁的另一端与衬底热沉连接。图2中的右半部分也按照此方法，首先将将第四L形隔热梁的长边与T形隔热梁连接，再将第四L形隔热梁的短边与第五L形隔热梁的长边连接，再将第五L形隔热梁的短边与第六L形隔热梁的长边连接，再将第六L形隔热梁的短边与第二I形隔热梁的一端连接，最后，将第二I形隔热梁的另一端与衬底热沉连接。基于此形成了本说明书中所述的回折形隔热梁。

进一步，换热板沉积在所述T形隔热梁上，与所述T形隔热梁形成一体结构；将多个I形双材料悬臂梁沉积在第一L形隔热梁、第三L形隔热梁、第四L形隔热梁以及第六L形隔热梁的长边上，且与第一L形隔热梁、第三L形隔热梁、第四L形隔热梁以及第六L形隔热梁的长边形成一体结构。

优选的，双材料悬臂梁的材料可以为SiO/Al、SiN/Au以及SiO/Au中任意一种热膨胀系数差异较大材料。

优选的，加热电阻丝内嵌于隔热梁之内，用于给敏感芯片结构加热，所述电阻丝的材料可以为半导体材料、金属材料以及其合金材料中任意一种；其半导体材料可以为掺杂多晶硅、非晶硅、Al、Ti、TiN等半导体材料。

优选的，绝热梁结构设计一方面用于支撑敏感结构，另一方面用于降低加热功耗；所述回折形隔热梁的材料可以包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、硅以及其复合材料中任意一种热膨胀系数小、热导率小的材料。

优选的，换热板由反光材料、加热电阻丝、支撑材料构成，主要用于跟衬底热沉和封装管壳通过气体进行热交换，所述换热板的反光材料可以包括Al、Au以及Pt中任意一种。

进一步，MEMS真空传感器芯片为MEMS真空热敏感结构芯片，其工作原理是在芯片的加热电阻丝上施加一定功率后，换热板因功率自热而温度升高，热平衡后换热板温度高于周围封装管壳及衬底热沉的温度换热板的换热路径包括：梁的热传导，热辐射以及气体传热；请参阅图3，图3为本发明提供的一种光学真空计的MEMS真空传感芯片的换热板散热路径示意图。

从图3可以看出，在芯片的加热电阻丝上施加一定功率后，换热板因功率自热而温度升高，热平衡后换热板温度高于周围封装管壳及衬底热沉的温度换热板的换热路径包括：梁的热传导，热辐射以及气体传热；因此双材料悬臂梁不同温度下的热致变形量不同，从而带动换热板产生的偏转角度不同，采用分辨率极高的光学测量方法(光杠杆原理)测量该偏转的角度，即可获得此时的真空度。

本发明提供的一种光学真空计的工作原理为：向MEMS真空传感芯片上的电阻丝施加电压，使得所述MEMS真空传感芯片上的双材料悬臂梁产生形变，从而带动所述MEMS真空传感芯片上的换热板产生偏转角度；同时控制激光器向MEMS真空传感芯片上的换热板发送激光光束，所述换热板用于将所述激光光束反射至光电位置探测器；所述光电位置探测器用于接收所述激光光束，并检测所述激光光束在所述光电位置探测器上的位置信息；在获取到所述光电位置探测器检测到的激光光束在所述光电位置探测器上的多个位置信息，可以基于多个所述位置信息，确定所述换热板的偏转角度，即变形量。基于该变形量，可以确定所述真空计所处环境中的真空度。

基于此，本发明采用了光学手段测量，因光学测量手段的分辨率极高，可以分辨出敏感结构的微弱形变，从而可提高真空度的测量灵敏度，且避免了电路方法测量的固有噪声和电磁干扰，提高真空计的测量精度；此外因真空计测量灵敏度的提高，采用本说明书中所述的光学真空计可有效拓宽环境真空度的测量量程。

尽管在此结合各实施例对本发明进行了描述，然而，在实施所要求保护的本发明过程中，本领域技术人员通过查看附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现公开实施例的其他变化。在权利要求中，“包括”(comprising)一词不排除其他组成部分或步骤，“一”或“一个”不排除多个的情况。单个处理器或其他单元可以实现权利要求中列举的若干项功能。相互不同的从属权利要求中记载了某些措施，但这并不表示这些措施不能组合起来产生良好的效果。

尽管结合具体特征及其实施例对本发明进行了描述，显而易见的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和组合。相应地，本说明书和附图仅仅是所附权利要求所界定的本发明的示例性说明，且视为已覆盖本发明范围内的任意和所有修改、变化、组合或等同物。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种光学真空计，其特征在于，包括：

激光器、MEMS真空传感芯片以及光电位置探测器；

所述激光器采用第一预设角度倾斜设置于所述MEMS真空传感芯片的上方，且与所述MEMS真空传感芯片之间的距离为第一预设距离；所述光电位置探测器采用第二预设角度倾斜设置于所述MEMS真空传感芯片的上方，且与所述MEMS真空传感芯片之间的距离为第二预设距离；

基于第一预设角度、第一预设距离、第二预设角度以及第二预设距离，将所述激光器发射的激光光束通过所述MEMS真空传感芯片折射至所述光电位置探测器。

2.如权利要求1所述的光学真空计，其特征在于，所述MEMS真空传感芯片包括：

衬底热沉，所述衬底热沉上开设有凹槽；

以及设置在所述凹槽上方的悬置结构，所述悬置结构包括回折形隔热梁、电阻丝、换热板以及双材料悬臂梁；所述回折形隔热梁覆盖在所述衬底热沉上，与所述衬底热沉之间形成气体腔室；

所述电阻丝内嵌在所述回折形隔热梁上；

所述换热板以及所述双材料悬臂梁沉积在所述回折形隔热梁上，与所述回折形隔热梁形成一体结构。

3.如权利要求2所述的光学真空计，其特征在于，所述回折形隔热梁包括T形隔热梁、多个L形隔热梁以及多个I形隔热梁；所述T形隔热梁的表面积大于所述L形隔热梁以及I形隔热梁的表面积；

所述T形隔热梁位于所述凹槽上方的中央位置，所述T形隔热梁的左右两侧通过多个所述L形隔热梁以及多个所述I形隔热梁与所述衬底热沉连接。

4.如权利要求3所述的光学真空计，其特征在于，所述换热板沉积在所述T形隔热梁上，与所述T形隔热梁形成一体结构。

5.如权利要求3所述的光学真空计，其特征在于，所述双材料悬臂梁包括多个I形双材料悬臂梁；多个所述I形双材料悬臂梁间隔沉积在多个所述L形隔热梁的长边上，与所述L形隔热梁形成一体结构。

6.如权利要求2所述的光学真空计，其特征在于，所述双材料悬臂梁的材料包括SiO/Al、SiN/Au以及SiO/Au中任意一种。

7.如权利要求2所述的光学真空计，其特征在于，所述电阻丝的材料包括半导体材料、金属材料以及其合金材料中任意一种。

8.如权利要求2所述的光学真空计，其特征在于，所述回折形隔热梁的材料包括氮化硅、氧化硅、氮氧化硅、碳化硅、硅以及其复合材料中任意一种。

9.如权利要求2所述的光学真空计，其特征在于，所述换热板的反光材料包括Al、Au以及Pt中任意一种。

10.如权利要求1所述的光学真空计，其特征在于，所述激光器为单色激光器。