CN208206381U - 微型真空计 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微型真空计，包括底座、框架、绝缘基底、二极管、电阻、悬臂梁和电学连线，框架固定在底座四周，悬臂梁至少为两个，悬臂梁的一端与绝缘基底固定连接，悬臂梁的另一端固定于框架的上侧面上，至少两个悬臂梁将绝缘基底悬空固定于框架上；二极管和电阻设于绝缘基底上，电学连线将电阻和二极管电性连接并从悬臂梁上引出。本实用新型通过配置二极管数量、二极管的串并联方式、串联电阻大小、绝缘基底与底座之间的间隙实现对不同真空度的精确检测，具有配置灵活、灵敏度高、量程大的优点。此外，该真空计还具有结构及制作方法简单、与CMOS工艺兼容、加工误差容限大、成本低等优点。

Description

微型真空计

技术领域

本实用新型涉及一种微型真空计。

背景技术

真空计是用于测量低于一个大气压的气体的仪器。一般是利用不同气压下气体的某种物理效应的变化进行气压的测量, 在科研和工业生产中广泛应用。历经三百多年的发展，如今的真空计种类繁多，液态式真空计、电容薄膜式真空计、谐振式真空计、热传导式真空计、电离式真空计等。同时，测量范围以及测量精度得到极大的提高。

微机电系统是在微电子技术基础上发展起来的,融合了光刻、腐蚀、薄膜、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。微机电系统是一项革命性的新技术，广泛应用于高新技术产业，它侧重于超精密机械加工，涉及微电子、材料、力学、化学、机械学等诸多学科领域。

使用微细加工工艺制作的微型加速度计、微型陀螺仪等仪器近年来得到广泛的应用。微系统真空封装中真空度的保持很大程度上决定了器件的最终性能、工作的可靠性及其寿命，而对封装体内真空度的监测是真空封装中一个重要研究领域。

皮拉尼真空计也被称为电阻式真空规，属于热传导式真空计的一种。其工作原理是：真空度不同，单位体积内的空气分子数就不同，则电阻丝的散热能力随之不同，表现为电阻丝的温度不同，因为电阻丝的电阻率是温度的函数，则不同的真空度会导致电阻丝的电阻率不同，进而导致电阻不同，在电阻丝上的压降就会不同。皮拉尼计是一种精度较高、制造工艺和测试都较为简单的真空度检测器件。通过体硅加工工艺制作的微型皮拉尼计具有体积小、测量精度高、易于批量生产、成本低等优点，被广泛应用于MEMS真空封装的实时真空测量。

北京大学于2008年3月11日提出公开号CN101256105A、名称为“单晶硅横向微型MEMS皮拉尼计及其制备方法”的专利申请，公开了一种应用于真空度测量的微型皮拉尼计；华中科技大学于2009年6月9日提出公开号CN101608962A、名称为“一种微型皮拉尼计”的皮拉尼计制作方法的专利申请，具有线性度好、性能稳定、化学稳定性好以及可靠性高的优点。北京大学于2014年3月19日提出了公开号为CN104931193A、名称为“一种带有参考真空室的MEMS皮拉尼计”的皮拉尼计制作方法的专利申请，可以有效消除环境温度造成的皮拉尼计的读数误差。华中科技大学于2014年9月12日提出了公开号为CN104340955A、名称为“微型皮拉尼计的制备方法及其与体硅器件集成加工的方法”的皮拉尼计的制备及集成方法的专利申请，可以降低集成封装工艺难度以及生产成本。

目前常用的MEMS器件真空度检测方法主要有：惰性气体 He值检测法、谐振器Q值检测法和薄膜变形法以及皮拉尼计。这些方法或多或少都存在一定问题，其中，He值检测法需要非常精密的检测仪器，导致成本较高，同时精度低，而且不能对真空度进行实时监测；Q值检测法主要检测真空封装的MEMS 器件的Q值，再通过公式反推，外围电路复杂，受到外界干扰的影响较大；薄膜变形法的薄膜存在使得应用范围受到限制；皮拉尼计为热传导式真空计的一种，利用热敏电阻特性实现真空度检测，在保持检测精度的同时有效降低了生产成本。但是皮拉尼计在实际应用时通常要做与之匹配的外围电路；在实际加工过程中的电阻存在较大的加工误差，并且难以加工阻值较大的电阻。

发明内容

为了克服上述缺陷，本实用新型提供了一种微型真空计，利用二极管的电流-电压特性曲线的温度特性，实现二极管输出电信号的变化，从而实现真空度的检测。

本实用新型为了解决其技术问题所采用的技术方案是：一种微型真空计，包括底座、框架、绝缘基底、二极管、电阻、悬臂梁和电学连线，所述框架固定在所述底座四周，所述悬臂梁至少为两个，所述悬臂梁的一端与所述绝缘基底固定连接，所述悬臂梁的另一端固定于所述框架的上侧面上，至少两个所述悬臂梁将所述绝缘基底悬空固定于所述框架上；所述二极管和电阻设于所述绝缘基底上，所述电学连线将所述电阻和二极管电性连接并从所述悬臂梁上引出。

作为本实用新型的进一步改进，所述底座为硅、石英或玻璃衬底。

作为本实用新型的进一步改进，所述框架为绝缘结构。

作为本实用新型的进一步改进，所述二极管为PN结。

作为本实用新型的进一步改进，所述二极管为多个，多个二极管之间串联或并联连接。

作为本实用新型的进一步改进，所述电阻为多晶硅、金属电阻和加工产生的寄生电阻其中之一，数量为一个或多个，并与所述二极管串联。

作为本实用新型的进一步改进，所述悬臂梁为绝缘梁。

作为本实用新型的进一步改进，所述悬臂梁为L型。

作为本实用新型的进一步改进，所述电学连线为多晶硅、金属或多种材料构成，并置于所述悬臂梁中。

本实用新型的有益效果是：

1、PN结二极管存在结电压，通过配置串联二极管的数量快速提升或降低工作电压，以适应常见的CMOS电路的工作电压，不需要阻值大的电阻以及精细复杂的调理电路；

2、加工制作PN结能够允许较大的加工误差容限，产品性能一致性较好；

3、正常工作情况下的工作电流小，在基本不损失工作电压的情况下，有效降低功耗；

4、结构以及加工步骤简单，有效降低生产成本；

5、通过配置二极管数量及串并联方式、电阻的大小及数量、牺牲层厚度以及偏置电流大小，灵活改变真空计的灵敏度以及量程。

附图说明

图1a为本实用新型实施例所述真空计的结构示意图；

图1b为本实用新型实施例所述真空计的分解结构示意图；

图2a、2b、2c、2d、2e、2f为本实用新型实施例所述真空计的一种加工制作步骤流程图，其中:图2a为生长二氧化硅步骤，图2b为敏感结构区P型注入步骤；图2c为二极管的N 型注入步骤；图2d为电学连线制作步骤；图2e为图形化悬臂梁及绝缘基底步骤；图2f为完成悬空结构制作步示意图。

结合附图，作以下说明：

1.底座、2.框架、3.绝缘基底、4.二极管、5.电阻、6. 悬臂梁、7.电学连线、21.体硅、22.二氧化硅、23.淀积硅、 24.多晶硅或者金属。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

图1a、图1b为本实用新型所述微型真空计的一种结构示意图，该微型真空计包括：底座1、框架2、绝缘基底3、二极管4、电阻5、悬臂梁6和电学连线7。框架2固定在底座1 四周；绝缘基底3位于底座1上方，并与之具有间隙，通过悬空的悬臂梁6与框架2进行连接；二极管4和电阻5设置在绝缘基底3上；电学连线7与二极管4和电阻5电学连接，位于悬臂梁6上。

所述的底座1是硅、石英或者玻璃衬底，用于为真空计提供基底支撑，真空计的完整结构均位于底座之上。为减少加工步骤，降低制作难度，优选的使用硅作为底座材料。

所述的框架2是绝缘结构，为真空计的立体结构提供支撑，框架2位于整个真空计结构的外侧，直接决定了真空计的大小；框架2部分没有任何电学连接要求。一般真空计的框架 2材料可以为：氧化硅、氮化硅等，氧化硅为优先使用的材料。

所述的二极管4是PN结，二极管4的电流-电压特性曲线随着二极管温度的升高而左移，不同的真空度会导致二极管上的温度不同，利用真空度对二极管4温度的影响，导致二极管 4的电流-电压特性发生变化实现对真空度的检测。

所述二极管4可以是一个，也可以是多个；多个二极管4 之间是串联或者并联。在恒定偏置电流下，串联多个二极管可以提升检测灵敏度，并联多个二极管可以提升热源功率，串并联均使用可以在提升热源功率的同时可以提升检测灵敏度。

所述电阻5是专门制作的多晶硅电阻或金属电阻，也可以是加工过程中产生的寄生电阻。电阻的数量可以是一个或者多个，与二极管进行串联。电阻的作用在于为真空计提供额外的热源，影响二极管4的温度，辅助二极管4进行真空度的检测。

所述的悬臂梁6是绝缘梁，形状可以是“L”型梁、折叠型鱼骨型或者其他形状的悬臂梁。悬臂梁6连接绝缘基底3 和框架2，为悬空的绝缘基底3提供支撑。同时，悬臂梁6为电学连线提供引出通路，电学连线制作在悬臂梁6上，悬臂梁 6本身没有电学连接要求。

所述的电学连线7是多晶硅、金属连线或者多种材料构成的连线。电学连线7通过悬臂梁6提供的通路将真空计的电学信号连接到外部。特别地使用金属Al作为电学连线材料。

为了提升本发明对真空度的检测灵敏度，一个简单可行的方法是增加二极管4的数量。二极管4的连接方式包括:串联、并联、串并联混合。串联二极管可提升检测的灵敏度，并联二极管可以提升二极管作为热源的功率，串并联混合使用则可以在提升热源功率的同时提升检测灵敏度。具体使用二极管的数量以及连接方式需要依据需要测量真空度的范围以及精度需求进行设计。

一种典型的实现本实用新型的加工步骤包括：

1)，在抛光的硅基片正面生长牺牲层；

2)，在生长的牺牲层上淀积硅；

3)，在淀积的硅上制作二极管、电阻；

4)，图形化悬臂梁，完成电学连线制作；

5)，腐蚀释放牺牲层，完成真空计制作。

通过控制牺牲层厚度，可以控制牺牲层释放之后二极管到底座之间的间隙，从而影响真空计的量程与灵敏度，牺牲层的材料可以是二氧化硅、聚酰亚胺、BCB、多晶硅、非晶硅或者体硅等。在牺牲层上淀积的硅作为绝缘基底，在绝缘基底上制作二极管作为敏感结构层，二极管本身作为核心敏感单元的同时，也作为热源。在绝缘基底上制作的电阻作为一个热源，可以是专门制作的电阻，也可以是加工过程中的寄生电阻。电阻可以是普通电阻，也可以是热敏电阻。当使用普通电阻时，它仅仅作为一个热源；当使用热敏电阻时，它可以辅助提升真空计的灵敏度，一般情况下，不需要专门设计电阻。悬臂梁结构的材料可以是硅，二氧化硅，氮化硅，Ti、Al、Au等金属。电学连线可以是金属、多晶硅或者多种材料构成的电学连线。

本实施例的微型真空计使用普通硅片的制备流程包括以下步骤：

在抛光的硅基片21正面生长二氧化硅22，如图2a所示；

在二氧化硅之上淀积硅3，同时在敏感结构区域进行P型注入，如图2b所示；

在淀积的硅23上进行N型注入，退火形成二极管，完成二极管制作，如图2c所示；

在悬臂梁处的硅上进行重掺杂作为二极管连接引线，或者淀积金属24实现二极管两端电信号的引出，如图2d所示；

图形化形成悬臂梁以及二极管敏感结构，如图2e所示；

腐蚀释放牺牲层二氧化硅22，完成真空计制作，如图2f 所示。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种微型真空计，其特征在于：包括底座(1)、框架(2)、绝缘基底(3)、二极管(4)、电阻(5)、悬臂梁(6)和电学连线(7)，所述框架固定在所述底座四周，所述悬臂梁至少为两个，所述悬臂梁的一端与所述绝缘基底固定连接，所述悬臂梁的另一端固定于所述框架的上侧面上，至少两个所述悬臂梁将所述绝缘基底悬空固定于所述框架上；所述二极管和电阻设于所述绝缘基底上，所述电学连线将所述电阻和二极管电性连接并从所述悬臂梁上引出。

2.根据权利要求1所述的微型真空计，其特征在于：所述底座为硅、石英或玻璃衬底。

3.根据权利要求1所述的微型真空计，其特征在于：所述框架为绝缘结构。

4.根据权利要求1所述的微型真空计，其特征在于：所述二极管为PN结。

5.根据权利要求4所述的微型真空计，其特征在于：所述二极管为多个，多个二极管之间串联或并联连接。

6.根据权利要求1所述的微型真空计，其特征在于：所述电阻为多晶硅、金属电阻和加工产生的寄生电阻其中之一，数量为一个或多个，并与所述二极管串联。

7.根据权利要求1所述的微型真空计，其特征在于：所述悬臂梁为绝缘梁。

8.根据权利要求7所述的微型真空计，其特征在于：所述悬臂梁为L型。

9.根据权利要求1所述的微型真空计，其特征在于：所述电学连线为多晶硅、金属或多种材料构成，并置于所述悬臂梁中。