真空微电子压力传感器.pdf

上传人:1** 文档编号:4949655 上传时间:2018-12-01 格式:PDF 页数:8 大小:359.01KB
返回 下载 相关 举报
摘要
申请专利号:

CN201010042063.5

申请日:

2010.01.15

公开号:

CN101762356A

公开日:

2010.06.30

当前法律状态:

撤回

有效性:

无权

法律详情:

登录超时

IPC分类号:

G01L21/00; B81B7/02; B81C1/00; B81C3/00; B81C99/00(2010.01)I

主分类号:

G01L21/00

申请人:

中国电子科技集团公司第二十四研究所; 重庆大学

发明人:

徐世六; 温志渝; 毛立龙

地址:

400060 重庆市南岸区南坪花园路14号

优先权:

专利代理机构:

代理人:

PDF下载: PDF下载
内容摘要

一种真空微电子压力传感器,包括:硅微场致发射阴极锥尖阵列、真空微腔、绝缘层、阳极弹性膜、阳极绝缘保护膜、引出电极、过载保护环、金刚石膜和绝缘衬底,其特征在于,在所述阳极弹性膜朝向真空微腔一面的中部,有连成一体的阳极活塞膜及其支撑柱,且支撑柱与过载保护环相对。本发明根据功能拆分的思想,采用了具有双层膜结构的压力传感器,与常规的真空微电子压力传感器相比,本发明的真空微电子压力传感器的灵敏度较之常规的真空微电子压力传感器提高100~300%。并且,由于本发明结构的支撑柱与过载保护环的相互对应,防止了阳极活塞膜与过载保护环碰触而造成的永久形变,因而十分有利于传感器的长期稳定工作。

权利要求书

权利要求书
1.  一种真空微电子压力传感器,包括:硅微场致发射阴极锥尖阵列(9)、真空微腔(7)、绝缘层(6)、阳极弹性膜(3)、阳极绝缘保护膜(2)、引出电极(1)、过载保护环(11)、金刚石膜(8)和绝缘衬底(10),其特征在于,在所述阳极弹性膜(3)朝向真空微腔(7)一面的中部,有连成一体的阳极活塞膜(5)及其支撑柱(4),且支撑柱(4)与过载保护环(11)相对。

2.  根据权利要求1所述的真空微电子压力传感器,其特征在于:所述阳极活塞膜(5)与真空微腔(7)的内壁之间具有能使阳极活塞膜(5)上下自由活动的间隙d。

3.  根据权利要求1所述的真空微电子压力传感器,其特征在于:所述阳极活塞膜(5)的宽度完全覆盖与其相对的所述硅微场致发射阴极锥尖阵列(9),且所述阳极活塞膜(5)与所述硅微场致发射阴极锥尖阵列(9)之间的初始间距X0必须大于静电吸合位移值Xi与期望发射间距Xq之和,即X0>(Xi+Xq)。

4.  根据权利要求1所述的真空微电子压力传感器,其特征在于:所述支撑拄(4)的位置与所述过载保护环(11)相对应,即支撑拄(4)的上下分别连于阳极弹性膜(3)与阳极活塞膜(5)的中心,过载保护环(11)位于硅微场致发射阴极锥尖阵列(9)的中心。

5.  根据权利要求1所述的真空微电子压力传感器,其特征在于:所述阳极活塞膜(5)及其所述支撑柱(4)与所述阳极弹性膜(3)具有相同材料,均为硅。

6.  根据权利要求1所述的真空微电子压力传感器,其特征在于:所述支撑柱(4)的厚度为5μm±0.5μm,所述阳极活塞膜(5)的厚度为10μm±0.5μm,所述阳极活塞膜(5)与所述真空微腔(7)内壁间的间隙d为5μm±2μm。

说明书

说明书真空微电子压力传感器
技术领域
本发明涉及一种压力传感器,特别涉及一种真空微电子压力传感器,它应用的领域为微机械电子(MEMS)领域中的压力传感器制造。
背景技术
真空微电子压力传感器最早于1991年第六届固态传感器和执行器国际会议(InternationalConference on Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems)上提出。真空微电子传感器的工作原理是,传感器的阳极相对于传感器的阴极施加正电压,在阴极表面形成加速电场。当阳极弹性膜受压变形时,传感器的阴阳极之间的间距发生变化,阴极表面场强随之改变,从而导致阴极发射电流变化。
中国专利文献1(专利申请号:02204492,专利名称:真空微电子压力传感器)公开了一种真空微电子压力传感器,其结构如图1所示。其传感器的主要特点是:通过加载过载保护环11a,解决了传感器的过载保护和长期稳定性的问题。但是,它的阳极弹性膜3a受到压力时,阳极弹性膜将产生弧型形变,即阳极弹性膜的中间部分形变最大,而越靠近边缘形变越小,如图3所示,导致压力传感器的灵敏度大幅降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种真空微电子压力传感器,通过采用一种新的双层膜结构,以克服压力传感器的灵敏度大幅降低的问题。
本发明解决上述技术问题的技术方案在于,一种真空微电子压力传感器,包括:硅微场致发射阴极锥尖阵列9、真空微腔7、绝缘层6、阳极弹性膜3、阳极绝缘保护膜2、引出电极1、过载保护环11、金刚石膜8和绝缘衬底10,其特征在于,在所述阳极弹性膜3朝向真空微腔7一面的中部,有连成一体的阳极活塞膜5及其支撑柱4,且支撑柱4与过载保护环11相对。
所述阳极活塞膜5与真空微腔7的内壁之间具有能使阳极活塞膜5上下自由活动的间隙d。
所述阳极活塞膜5的宽度完全覆盖与其相对的所述硅微场致发射阴极锥尖阵列9,且所述阳极活塞膜5与所述硅微场致发射阴极锥尖阵列9之间的初始间距X0必须大于静电吸合位移值Xi与期望发射间距Xq之和,即X0>(Xi+Xq)。
所述支撑拄4的位置与所述过载保护环11相对应,即支撑拄4的上下分别连于阳极弹性膜3与阳极活塞膜5的中心,过载保护环11位于硅微场致发射阴极锥尖阵列9的中心。
所述阳极活塞膜5及其所述支撑柱4与所述阳极弹性膜3具有相同材料,均为硅。
所述支撑柱4的厚度为5μm±0.5μm,所述阳极活塞膜5的厚度为10μm±0.5μm,所述阳极活塞膜5与所述真空微腔7内壁间的间隙d为5μm±2μm。
有益效果:
本发明根据功能拆分的思想,采用了具有双层膜结构的压力传感器,与常规的真空微电子压力传感器相比,本发明的真空微电子压力传感器具有以下特点:
1.本发明结构的双层膜的结构使得传感器的阳极弹性膜功能被拆分,即它含有阳极弹性膜(以其中间位置的最大形变量来反映压力变化)和阳极活塞膜(以其整体的平行移动量改变阳极与阴极间距从而改变阴极发射电流)。由于阳极活塞膜与阳极弹性膜相衔接的支撑柱位于阳极弹性膜的中部,此处是阳极弹性膜受压力时弧形形变的形变最大位置,所以此时阳极弹性膜形变量有效值为常规压力传感器的阳极弹性膜形变的最大值,而不是常规真空微电子压力传感器设计中以其弧形形变的积分量作为有效值。场致发射电流J=AE2e-B/E,其中,A、B、e为常量,而E=V/D,可近似认为场致发射电流与阳极活塞膜和阴极锥尖阵列之间的距离成反比。设阳极活塞膜与阴极锥尖阵列间的间距由50μm变化至20μm,阳极活塞膜宽度为1000μm,则可计算出,本发明结构的输出电流变化量是常规结构的输出电流变化量的5倍,因而使本发明的真空微电子压力传感器的灵敏度较之常规的真空微电子压力传感器提高100~300%。
2.本发明结构的支撑柱与过载保护环的相互对应。当过载时,阳极活塞膜受力点位于活塞膜中间与支撑柱连接的部分,将力传到至阳极弹性膜,防止了阳极活塞膜与过载保护环碰触而造成的永久形变,因而十分有利于传感器的长期稳定工作。
附图说明
图1为常规的真空微电子压力传感器的横向剖面结构示意图;
图2为本发明的真空压力微电子传感器的横向剖面结构示意图。
图3为常规的真空微电子压力传感器受压力时的阳极弹性膜弧形形变的示意图。
图4为本发明的真空压力微电子传感器受压力时阳极活塞膜平行移动的示意图。
图2中,1是引出电极、2是阳极绝缘保护膜、3是阳极弹性膜、4是支撑柱、5是阳极活塞膜、6是绝缘层、7是真空微腔、8是金刚石膜、9是硅微场致发射阴极锥尖阵列、10是绝缘衬底、11是过载保护环、12是硅衬底,d为阳极活塞膜5与真空微腔7的内壁之间能使阳极活塞膜5上下自由活动的间隙。
具体实施方式
本发明的具体实施方式不仅限于下面的描述。下面结合附图对本发明方法加以进一步说明。
本发明的真空压力微电子传感器的横向剖面结构示意图如图2所示,包括硅微场致发射阴极锥尖阵列9、真空微腔7、绝缘层6、阳极弹性膜3、阳极绝缘保护膜2、阳极活塞膜5、引出电极1、过载保护环11和金刚石膜8,其中,在所述阳极弹性膜3朝向真空微腔7一面的中部一体形成有与阳极弹性膜3相同硅材质的支撑柱4和连接在支撑柱顶端的阳极活塞膜5。
所述阳极活塞膜5作为传感器的阳极接收部分,阳极活塞膜5与真空微腔7内壁之间具有上下活动的间隙d,阳极活塞膜5的宽度覆盖过与其相对的整个硅微场致发射阴极锥尖阵列9,阳极活塞膜与硅微场致发射阴极锥尖阵列9之间的初始间距X0必须大于静电吸合位移Xi加上期望发射间距Xq,即X0>(Xi+Xq)。
本结构的工作原理:阳极活塞膜5相对硅微场致发射阴极锥尖阵列9施加一定的正电压,阴极锥尖阵列9(即传感器的阴极)和阳极活塞膜5(即传感器的阳极)之间将形成电场,当阴极锥尖阵列9的电场达到一定强度时,电子将克服表面势垒溢出,被阳极活塞膜5收集,从而形成电流。当阴极和阳极之间的电压恒定时,对弹性膜3施加一定的压力,弹性膜将发生形变,使阴极锥尖与阳极活塞膜5之间的距离发生变化,引起锥尖表面附近的电场发生变化,从而使阴极和阳极之间的电流发生变化。通过测量阴极和阳极的电流的变化,即可测量到弹性膜3的形变以及受到的压力的大小,其直接输出量为电流信号。
由于与阳极弹性膜3一体设计了活塞膜支撑柱4和阳极活塞膜5,当阳极弹性膜3受到一定的压力时,产生一定的形变,通过活塞膜支撑柱4带动阳极活塞膜5整体向下移动,使得阳极活塞膜5与硅微场致发射阴极锥尖阵列9之间的间距有效变化量大大提高,因此,压力传感器的灵敏度得以大幅度提高。
本发明的真空微电子压力传感器采用常规IC工艺与深槽腐蚀、硅/硅键合相结合的MEMS工艺技术。本发明的真空微电子传感器的制作工艺流程具体如下:
1.硅微场致发射阴极锥尖阵列9的制作
1)选用N型(100)Si单晶,电阻率为1~5Ω·cm;
2)化学清洗和氧化,氧化层厚度500nm±50nm;
3)光刻阴极锥尖阵列区;
4)干法腐蚀SiO2和Si,Si的腐蚀深度为2μm±0.1μm;
5)去胶;
6)清洗氧化;
7)淀积Si3O4;
8)光刻中间的过载保护环11;
8)腐蚀锥间区的Si3O4;
9)光刻阴极锥尖阵列;
10)干法腐蚀SiO2,腐蚀出锥尖;
11)干法腐蚀和湿法腐蚀相结合,形成锥尖厚度2μm,顶部面积小于1×1μm的锥尖;
12)清洗→干氧+湿氧+干氧(950℃),将锥尖进一步缩小,去掉氧化层,获得高度2μm、尖度小于0.3μm的硅微场致发射阴极锥尖阵列9;
13)淀积金刚石薄膜;
2.阳极活塞膜5与支撑柱4的制备流程
1)选用N型(100)Si单晶,电阻率为1~5Ω·cm;
2)化学清洗和氧化,氧化层厚度1μm;
3)光刻支撑柱;
4)干法腐蚀SiO2和Si,形成5μm高的Si支撑柱4;
5)LPCVD淀积多晶硅,厚度约为6μm;
6)CMP抛光获得平整表面;
7)再把所述N型Si单晶硅片同另外一个N型(100)Si单晶(电阻率为1~5Ω·cm)进行硅/硅键合;
8)减薄抛光,得到阳极活塞膜厚度的硅薄膜(10μm±0.5μm);
9)光刻阳极活塞膜区;
10)干法腐蚀硅薄膜,形成阳极活塞膜5;
11)去胶;
12)采用HF+HNO3+H2O的混合液(1∶1∶10)腐蚀牺牲层,获得具有支撑柱支撑可移动的阳极活塞膜。
3.真空微电子压力传感器制备流程
1)将可动的阳极活塞膜5和阴极锥尖阵列9在HF溶液中(HF∶H2O=1∶20)腐蚀2分钟,乙醇脱水;
2)立即将可动的阳极活塞膜5与阴极锥尖阵列9上下对准,进行硅/硅键合,形成真空微电子压力传感器的真空微腔;
3)减薄抛光,获得所需应力膜即阳极弹性膜5(厚度10μm);
4)淀积SiO2,厚度1μm,光刻引线孔;
5)正反两面溅射SiCrAu,SiCr做为黏附层,它们的厚度为SiCr/SiCrAu:20nm/80nm;
6)光刻正面引线;
5)合金;
6)划片得到真空微电子压力传感器。
本发明方法中的氧化、光刻、腐蚀、去胶、清洗、淀积等均为本领域技术人员常规工艺技术,也不是本发明方法的主题,在此不再详述。

真空微电子压力传感器.pdf_第1页
第1页 / 共8页
真空微电子压力传感器.pdf_第2页
第2页 / 共8页
真空微电子压力传感器.pdf_第3页
第3页 / 共8页
点击查看更多>>
资源描述

《真空微电子压力传感器.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《真空微电子压力传感器.pdf(8页珍藏版)》请在专利查询网上搜索。

一种真空微电子压力传感器,包括:硅微场致发射阴极锥尖阵列、真空微腔、绝缘层、阳极弹性膜、阳极绝缘保护膜、引出电极、过载保护环、金刚石膜和绝缘衬底,其特征在于,在所述阳极弹性膜朝向真空微腔一面的中部,有连成一体的阳极活塞膜及其支撑柱,且支撑柱与过载保护环相对。本发明根据功能拆分的思想,采用了具有双层膜结构的压力传感器,与常规的真空微电子压力传感器相比,本发明的真空微电子压力传感器的灵敏度较之常规的真。

展开阅读全文
相关资源
猜你喜欢
相关搜索

当前位置:首页 > 物理 > 测量;测试


copyright@ 2017-2020 zhuanlichaxun.net网站版权所有
经营许可证编号:粤ICP备2021068784号-1