CN209878208U - 一种mems皮拉尼真空计 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种MEMS皮拉尼真空计，包括衬底和悬置结构，衬底具有凹槽，悬置结构设于凹槽的上方；悬置结构包括平台、第一电阻元件和悬臂梁，平台通过悬臂梁与衬底相连，第一电阻元件设置于平台远离凹槽的一侧，第一电阻元件为面内回转结构分布；第一电阻元件的第一端从悬臂梁上引出电极相连，第一电阻元件的第二端从悬臂梁上引出电极相连；衬底的顶面还设有第二电阻元件，第二电阻元件环绕悬置结构设置。该实用新型皮拉尼真空计利用第二电阻件元件消除第一电阻元件的真空度测量误差，节约成本，提高测量精度。

Description

一种MEMS皮拉尼真空计

技术领域

本实用新型涉及微机电系统的真空度测量器件领域，特别涉及一种 MEMS皮拉尼真空计。

背景技术

微机电系统(Micro Electro Mechanical System，简称MEMS)是指在微米量级内设计、融合了硅微加工和精密机械加工等多种微加工技术制造、集成了多种元件，并适于低成本大批量生产的系统。皮拉尼真空计是一种精度较高、制造工艺和测试都较为简单的真空度检测器件，它利用高真空度下电阻加热体的散热速率和周围气体压强的相关性来测量真空度。通过 MEMS制造工艺制作的微型化皮拉尼真空计具有体积小、测量精度高、易于批量生产等优点，并且制作简单，与一般MEMS工艺相兼容。

皮拉尼传感器通常包含加热体，它暴露于被测的气体环境之中，加热体被流经的电流所加热，被周围的气体散热所冷却。如果气压降低，气体散热减少，因此在加热电流恒定的情况下，加热体的温度就会上升，反之亦然。通常加热体的电阻是温度的函数，并且要求其温度系数较大，通过测量加热体两端的电压及流经的电流，就可以计算得到加热体的电阻，继而求得其温度以及对应的气压。

现有的微型皮拉尼真空计，加热体与衬底之间的温度梯度是影响加热体散热速率的重要因素之一。加热元件的温度直接受到所测真空腔体内部温度的影响，所测腔体外部温度发生变化，也会改变衬底的温度，进而导致加热电阻阻值受环境温度因素影响与对应真空度出现偏差。对于这种条件下的真空度，单一结构的皮拉尼真空计无法消除环境温度造成的影响。 CN104931193A公开了一种带有参考真空室的MEMS皮拉尼真空计，同一衬底上的两个微型皮拉尼真空计，其中一支真空封装在参考室内。将两支皮拉尼真空计一起置于测试环境中，同时输入相同的激励信号，通过外围电路测出对应的输出信号。其中真空封装的皮拉尼真空计不受所测环境真空度的影响，其阻值的变化主要由环境温度引起。未封装的皮拉尼真空计的阻值则同时受到环境气压和环境温度的影响。将两支皮拉尼真空计测得的输出信号差作为真空度测量信号，即可消除环境温度造成的皮拉尼真空计读数误差。但是这种办法导致整个测试装置体积变大、成本变高。

实用新型内容

本实用新型要解决的是环境温度造成的皮拉尼真空计读数误差技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型公开了一种MEMS皮拉尼真空计，包括衬底和悬置结构，所述衬底具有凹槽，所述悬置结构设于所述凹槽的上方；

所述悬置结构包括平台、第一电阻元件和悬臂梁，所述平台通过所述悬臂梁与所述衬底相连，所述第一电阻元件设置于所述平台远离所述凹槽的一侧，所述第一电阻元件为面内回转结构分布；

所述衬底的顶面设有第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电阻元件的第一端从所述悬臂梁上引出，并与所述第一电极相连，所述第一电阻元件的第二端从所述悬臂梁上引出，并与所述第二电极相连；其中，所述顶面为靠近所述凹槽开口的外周面；

所述衬底的顶面还设有第二电阻元件，所述第二电阻元件环绕所述悬置结构设置，所述第二电阻元件的一端与所述第一电极相连，所述第二电阻元件的另一端与所述第三电极相连。

可选地，所述第二电阻元件为面内回转结构分布。

可选地，所述第一电阻元件的长度与所述第二电阻元件的长度相等。

可选地，所述悬置结构包括四个所述悬臂梁，四个所述悬臂梁间隔且均匀分布于所述平台的外围，所述悬臂梁的一端与所述平台连接，所述悬臂梁的另一端与所述衬底连接。

可选地，所述第一电阻元件沿所述衬底的长度或宽度方向连续回转折弯设有多个弯折。

可选地，所述第二电阻件元件连续回转折弯形成多圈环绕所述悬置结构分布的电阻结构。

可选地，相邻两圈电阻的间距相等。

可选地，所述凹槽的槽底与所述平台之间的距离为8-12μm。

可选地，所述第一电极和所述第二电极呈对角设置于所述凹槽的外周，所述第一电极和所述第三电极之间的距离小于所述第一电极和所述第二电极之间的距离。

可选地，所述皮拉尼真空计还包括顶盖，所述顶盖设置于所述衬底具有凹槽开口的一侧，所述顶盖的底部设有多个彼此间隔的连接部，所述顶盖通过所述连接部与所述衬底相连；和/或，

所述皮拉尼真空计还包括基底，所述基底设置于所述衬底的底面一侧，其中，所述底面与所述顶面相对。

采用上述技术方案，本实用新型所述的MEMS皮拉尼真空计具有如下有益效果：

该实用新型皮拉尼真空计第一电阻元件的温度变化主要以气体传导为主，其阻值变化受到所处环境的真空度和环境温度的影响；第二电阻元件的热量变化主要以固体传导为主，其阻值变化主要受到环境温度的影响，因此利用第二电阻件元件消除第一电阻元件的的真空度测量误差，有利于降低成本。

进一步地，第一电阻元件和第二电阻元件的长度一致，当MEMS的环境温度改变时，第一电阻元件的温度改变，其阻值改变；第二电阻元件其阻值的改变和第一电阻元件阻值的改变量非常相近，第二电阻元件的温度为第一电阻元件四周温度的平均值，从而达到一个很好的补偿效果，保证了测量的精度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的一种皮拉尼真空计的俯视图；

图2为本实用新型实施例的一种皮拉尼真空计剖面图；

以下对附图作补充说明：

1-衬底；11-凹槽；12-顶面；131-第一电极；132-第二电极；133-第三电极；14-第二电阻元件；

2-悬置结构；21-平台；22-第一电阻元件；23-悬臂梁；

3-顶盖；31-连接部；

4-基底。

具体实施方式

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一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的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。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本实用新型至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，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，以便这里描述的本实用新型的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

实施例：

图1示出了本实用新型皮拉尼真空计的俯视图，图2示出了本实用新型沿两个对角悬臂梁方向剖切的皮拉尼真空计剖面图。结合图1和图2本实用新型提供一种MEMS皮拉尼真空计，包括衬底1和悬置结构2，所述衬底1具有凹槽11，所述悬置结构2设于所述凹槽11的上方；

所述悬置结构2包括平台21、第一电阻元件22和悬臂梁23，所述平台21通过所述悬臂梁23与所述衬底1相连，所述第一电阻元件22设置于所述平台21远离所述凹槽11的一侧，所述第一电阻元件22为面内回转结构分布；

所述衬底1的顶面12设有第一电极131、第二电极132和第三电极133，所述第一电阻元件22的第一端从所述悬臂梁23上引出，并与所述第一电极131相连，所述第一电阻元件22的第二端从所述悬臂梁23上引出，并与所述第二电极132相连；其中，所述顶面12为靠近所述凹槽11开口的外周面；

所述衬底1的顶面12还设有第二电阻元件14，所述第二电阻元件14 环绕所述悬置结构2设置，所述第二电阻元件14的一端与所述第一电极131 相连，所述第二电阻元件14的另一端与所述第三电极133相连。

本实施例中，第一电阻元件22的温度变化主要以气体传导为主，其阻值变化受到所处环境的真空度和环境温度的影响；第二电阻元件14的热量变化主要以固体传导为主，其阻值变化主要受到环境温度的影响，因此第二电阻元件14可以用来消除环境温度变化对第一电阻元件22的真空度测量误差。

在一些实施例中，所述第二电阻元件14为面内回转结构分布。

在一些实施例中，所述第一电阻元件22的长度与所述第二电阻元件14 的长度相等。第一电阻元件22和第二电阻元件14的长度一致，当MEMS的环境温度改变时，第一电阻元件22的温度改变，其阻值改变；第二电阻元件14其阻值的改变和第一电阻元件22阻值的改变量非常相近，第二电阻元件14的温度为第一电阻元件22四周温度的平均值，从而达到一个很好的补偿效果，保证了测量的精度。

在一些实施例中，所述第一电阻元件22和所述第二电阻元件14的电阻材料均为镍。选择镍作为电阻材料是因为它具有大约5.0*10^-3K^-1的电阻温度系数(TCR)。

在一些实施例中，所述悬置结构2包括四个所述悬臂梁23，四个所述悬臂梁23间隔且均匀分布于所述平台21的外围，所述悬臂梁23的一端与所述平台21连接，所述悬臂梁23的另一端与所述衬底1连接。在可能的实施方式中，所述悬臂梁23的个数还可以更少或更多。

在一些实施例中，所述平台21和所述悬臂梁23的导热系数小于等于 2.30W/mK。

在一些实施例中，所述悬臂梁23的材质为氮化硅。

在一些实施例中，所述第一电阻元件22沿所述衬底1的长度或宽度方向连续回转折弯设有多个弯折。优选的，所述第一电阻元件22可以呈蛇形等等距分布。

在一些实施例中，所述第二电阻件元件连续回转折弯形成多圈环绕所述悬置结构2分布的电阻结构。优选的，相邻两圈电阻的间距可以相等。

在一些实施例中，所述凹槽11的槽底与所述平台21之间的距离为8-12 μm。

在一些实施例中，所述第一电极131和所述第二电极132呈对角设置于所述凹槽11的外周，所述第一电极131和所述第三电极133之间的距离小于所述第一电极131和所述第二电极132之间的距离。

在一些实施例中，所述第一电极131、所述第二电极132和所述第三电极133均可以由金属钛附着层的表面溅射铜层或铝层或金层构成；或由金属钛附着层的表面溅射铂层后再溅射金层构成；或由金属铬附着层的表面溅射金层或铜层或铝层构成，或由金属铬附着层表面溅射铂层后再溅射铜层构成。

在一些实施例中，所述平台21为单层结构，所述平台21的材质为氮化硅或二氧化硅材料；或，所述平台21由两层薄膜堆叠而成，其中上层为氮化硅材料，下层为二氧化硅材料。

在一些实施例中，所述皮拉尼真空计还包括顶盖3，所述顶盖3设置于所述衬底1具有凹槽11开口的一侧，所述顶盖3的底部设有多个彼此间隔的连接部31，所述顶盖3通过所述连接部31与所述衬底1相连。

在一些实施例中，所述皮拉尼真空计还包括基底4，所述基底4设置于所述衬底1的底面一侧，其中，所述底面与所述顶面12相对。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种MEMS皮拉尼真空计，其特征在于，包括衬底和悬置结构，所述衬底具有凹槽，所述悬置结构设于所述凹槽的上方；

所述悬置结构包括平台、第一电阻元件和悬臂梁，所述平台通过所述悬臂梁与所述衬底相连，所述第一电阻元件设置于所述平台远离所述凹槽的一侧，所述第一电阻元件为面内回转结构分布；

所述衬底的顶面设有第一电极、第二电极和第三电极，所述第一电阻元件的第一端从所述悬臂梁上引出，并与所述第一电极相连，所述第一电阻元件的第二端从所述悬臂梁上引出，并与所述第二电极相连；其中，所述顶面为靠近所述凹槽开口的外周面；

所述衬底的顶面还设有第二电阻元件，所述第二电阻元件环绕所述悬置结构设置，所述第二电阻元件的一端与所述第一电极相连，所述第二电阻元件的另一端与所述第三电极相连。

2.根据权利要求1所述的MEMS皮拉尼真空计，其特征在于：所述第二电阻元件为面内回转结构分布。

3.根据权利要求1或2所述的MEMS皮拉尼真空计，其特征在于：所述第一电阻元件的长度与所述第二电阻元件的长度相等。

4.根据权利要求1所述的MEMS皮拉尼真空计，其特征在于：所述悬置结构包括四个所述悬臂梁，四个所述悬臂梁间隔且均匀分布于所述平台的外围，所述悬臂梁的一端与所述平台连接，所述悬臂梁的另一端与所述衬底连接。

5.根据权利要求1所述的MEMS皮拉尼真空计，其特征在于：所述第一电阻元件沿所述衬底的长度或宽度方向连续回转折弯设有多个弯折。

6.根据权利要求2所述的MEMS皮拉尼真空计，其特征在于：所述第二电阻件元件连续回转折弯形成多圈环绕所述悬置结构分布的电阻结构。

7.根据权利要求6所述的MEMS皮拉尼真空计，其特征在于：相邻两圈电阻的间距相等。

8.根据权利要求1所述的MEMS皮拉尼真空计，其特征在于：所述凹槽的槽底与所述平台之间的距离为8-12μm。

9.根据权利要求1所述的MEMS皮拉尼真空计，其特征在于：所述第一电极和所述第二电极呈对角设置于所述凹槽的外周，所述第一电极和所述第三电极之间的距离小于所述第一电极和所述第二电极之间的距离。

10.根据权利要求1所述的MEMS皮拉尼真空计，其特征在于：所述皮拉尼真空计还包括顶盖，所述顶盖设置于所述衬底具有凹槽开口的一侧，所述顶盖的底部设有多个彼此间隔的连接部，所述顶盖通过所述连接部与所述衬底相连；和/或，

所述皮拉尼真空计还包括基底，所述基底设置于所述衬底的底面一侧，其中，所述底面与所述顶面相对。