专利名称：一种微型皮拉尼计的制作方法
技术领域：
本发明属于微机电系统(以下简称MEMS)的真空度测量器件， 具体涉及一种微型皮拉尼计。
背景技术：
基于谐振结构的微陀螺仪、微加速度计、微高精度战术振荡器、 微滤波器、微超声波传感器、微生物分子质量检测仪等器件，采用真 空封装可以降低机械运动部件运动时气体的阻尼，极大地提高器件的 品质因素，从而提高器件的性能，且整个微系统消耗的能量也大大降 低。基于热传导原理的非制冷红外探测与成像仪、流量计、微型色谱 仪等器件需要真空封装来延长自由粒子的分子平均自由程，抑制传导 传热，从而提高器件的灵敏度。MEMS型的真空电子器件，由于电 子在真空中的运动速度比在半导体中快1~2个数量级，工作频率可达 lTHz，可在极高温与低温下工作，可实现大功率输出。绝对压力 MEMS传感器需要真空封装形成局部真空来作为绝对压力的近似零 点。因此，真空封装技术己成为严重影响这些MEMS器件性能的共 性技术与使能技术。真空封装的真空环境中真空压力并不等于MEMS 器件中真空腔内的压力，判断真空封装工艺的有效性最直接的方法是 检测真空腔内的真空压力。MEMS器件的体积小， 一般的真空规不 可能实施小型或微型真空腔内真空度的检测。目前常用的MEMS器件真空度检测方法主要有三种惰性气体 He检测法，谐振器Q值检测法和薄膜变形法。He值检测法需要非常 精密的检测仪器，成本较高，测试精度较低，而且不能进行在线实时观察腔体内真空度变化。Q值检测法主要采用测量真空封装内MEMS 器件的Q值，再通过公式反推来估计真空封装腔内的真空度，反推 公式误差较大、而且还受到外围电路复杂以及低压下敏感度较低等缺 点的限制。薄膜变形法是测量真空腔外层薄膜的形变，该方法需要外 层薄膜，而很多器件没有这样的薄膜结构，无法采用该方法进行内部 真空度的测量。因此提出一种精度较高、制造工艺和测试都较为简单 的真空检测器件一一皮拉尼计，它是基于通以电流的热膜温度随真空 (压力)而变化，由于温度的改变导致热膜电阻的变化，因此用测量 电阻的变化来测量真空。北京大学于2008年3月11日提出公开号CN101256l05A、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， 公开一种应用于真空度测量的微型皮拉尼计，这种皮拉尼计包括衬底 和一硅结构，硅结构分为散热结构和加热结构两部分，散热结构包括 两个相互对称的散热体，每个散热体由一个锚点和与锚点固定连接的 若干梳齿构成，散热体之间的梳齿相互咬合，散热结构通过上述锚点 与衬底固定；加热结构包括一根环绕在散热体和梳齿间的弯曲加热 体，在上述加热体的两端的锚点与衬底固定；整个器件的体积大，难 以集成在MEMS器件内，由于加热结构采用硅材料，灵敏度不够高。发明内容本发明提供一种微型皮拉尼计，克服现有微型皮拉尼计体积大、 灵敏度不够高的问题。本发明的一种微型皮拉尼计，在硅衬底上具有加热体，其特征在于；所述硅衬底上具有凹槽，凹槽表面架有隔热层，隔热层表面覆盖绝缘层，绝缘层上溅射有加热体，加热体的两端溅射有金属电极； 所述加热体为形状弯曲的铂或镍金属； 所述绝缘层材料为氮化硅或二氧化硅； 所述隔热层材料为二氧化硅、氮化硅中的一种或两种。所述的微型皮拉尼计，其特征在于所述隔热层为单层或由两层薄膜堆叠而成，隔热层为单层时为氮 化硅或二氧化硅材料；由两层薄膜堆叠而成时，上层为氮化硅材料， 下层为二氧化硅材料。所述的微型皮拉尼计，其特征在于所述金属电极由Ti附着层表面溅射Cu层或Al层或Au层，或 Ti附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层，或Cr附着层表面溅射Au 层或Cu层或Al层，或Cr附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成。本发明微型皮拉尼计的制备方法，包括下述步骤(1) 在硅衬底上溅射隔热层薄膜和绝缘层薄膜，然后腐蚀去除 各层薄膜结构的四周部分；(2) 通过腐蚀或者剥离工艺，在绝缘层薄膜表面制备加热体图形；(3) 在加热体两端溅射电极；(4) 用湿法腐蚀工艺在硅衬底上腐蚀出凹槽，在隔热层薄膜下 方形成真空空腔，起隔热作用。本发明的微型皮拉尼计加工完成后，先对皮拉尼计进行标定，再 封装在真空系统中。标定时给皮拉尼计电极两端加一定的电信号，测量相应加热体电阻值，得到真空度与电阻值的对应关系。在应用过程 中通过测量皮拉尼计的电阻值，就可以得出真空封装体的真空度。本发明硅衬底与MEMS器件采用同一衬底，体积小、重量轻而 且性能稳定，加热体采用金属铂或者金属镍，而铂或镍相对于硅来说 线性度好、性能稳定、灵敏度高、有良好的化学稳定性；增加了起隔 热作用的隔热层，并直接在MEMS器件的硅衬底上刻蚀出悬空的绝 缘体薄膜，能很好地用于真空度测量。其制造工艺简单、成本低、成 品率高、可靠性高。由于本发明采用的是直接在硅衬底上加工，克服 了 MEMS皮拉尼计结构体积大，难以集成在MEMS器件内的缺点， 还增加了隔热层，不仅提高了皮拉尼计的灵敏度和精度，而且适用于 各种大小真空封装以及微型腔体中，可进行密封腔体内真空度实时检 测。
图l为本发明的三维示意图；图2为本发明实施例的截面示意图；图3 (A)为硅衬底示意图；图3 (B)为硅衬底上溅射隔热层薄膜和绝缘层薄膜后的结构示 意图；图3 (C)为去除硅衬底上各层薄膜结构的四周部分的结构示意图；图3 (D)为在绝缘层薄膜表面上制备出微型加热体图形的结构 示意图；图3 (E)为在加热体两端部分溅射一层电极的结构示意图； 图3 (F)为湿法腐蚀掉一部分硅基底，形成凹槽的结构示意图; 图4为本发明另一实施例的截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进一步说明如图1所示，本发明的微型皮拉尼计，硅衬底5上具有凹槽，凹 槽表面架有隔热层4，隔热层4表面覆盖绝缘层3，绝缘层上溅射有 加热体2，加热体的两端溅射有金属电极l。硅衬底的材料可以是单晶硅，也可以是多晶硅。凹槽形状可以是矩形或者漏斗形，深度可调。实施例一，如图2所示，硅衬底5为单晶硅，加热体2为形状弯 曲的铂金属；金属电极1由Ti附着层表面溅射Au层构成；绝缘层3材料为氮化硅，厚度250nm;隔热层4为二氧化硅材料， 其厚度lum。该实施例的制备方法，顺序包括如下步骤(1) 如图3 (A)所示，取一单晶硅片(2",400um厚，双抛光， (100)取向的)作为衬底5;如图3 (B)所示在衬底5表面热氧化二氧化硅薄膜隔热层4 ，再用低应力化学气相沉积(LPCVD)工艺 沉积一层低应力的250nm厚的氮化硅绝缘层3;如图3 (C)所示，再用第一掩膜去除隔热层和绝缘层的四周部分；(2) 如图3 (D)所示，通过腐蚀或者剥离工艺，用第二掩膜在 氮化硅绝缘层3上形成铂加热体2薄膜图形；(3) 如图3 (E)所示，在加热体2两端部分溅射一层10nm厚 的钛(Ti)附着层，随之溅射一层300nm厚的Au薄膜，用第三掩膜 做出电极l的形状；(4) 如图3 (F)所示，用湿法腐蚀掉硅衬底的一部分，形成凹 槽，获得纵向皮拉尼计结构。实施例二，当器件的腔体体积大时，用湿法腐蚀掉硅衬底背面的一部分，形成空腔，如图4所示。硅衬底5为单晶硅，加热体2为形 状弯曲的铂金属；金属电极l由Ti附着层表面溅射Cu层构成；绝缘层3材料为氮化硅，厚度250nm;隔热层4为二氧化硅材料， 其厚度lum。实施例三，硅衬底5为多晶硅，加热体2为形状弯曲的镍金属； 金属电极1由Ti附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成；绝缘层3材料为二氧化硅，厚度250nm;隔热层4由两层薄膜堆 叠而成，上层为氮化硅材料，厚度500nm，下层为二氧化硅材料，厚 度250nm。由二氧化硅一氮化硅一 二氧化硅构成的三明治结构，可以降低应力。
权利要求
1.一种微型皮拉尼计，在硅衬底上具有加热体，其特征在于所述硅衬底上具有凹槽，凹槽表面架有隔热层，隔热层表面覆盖绝缘层，绝缘层上溅射有加热体，加热体的两端溅射有金属电极；所述加热体为形状弯曲的铂或镍金属；所述绝缘层材料为氮化硅或二氧化硅；所述隔热层材料为二氧化硅、氮化硅中的一种或两种。
2. 如权利要求1所述的微型皮拉尼计，其特征在于 所述隔热层为单层或由两层薄膜堆叠而成，隔热层为单层时为氮化硅或二氧化硅材料；由两层薄膜堆叠而成时，上层为氮化硅材料， 下层为二氧化硅材料。
3. 如权利要求1或2所述的微型皮拉尼计，其特征在于-所述金属电极由Ti附着层表面溅射Cu层或Al层或Au层，或Ti附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层，或Cr附着层表面溅射Au 层或Cu层或Ai层,或Cr附着层表面溅射Pt层后再溅射Au层构成。
全文摘要
一种微型皮拉尼计，属于微机电系统的真空度测量器件，克服现有微型皮拉尼计体积大、灵敏度不够高的问题。本发明在硅衬底上具有凹槽，凹槽表面架有隔热层，隔热层表面覆盖绝缘层，绝缘层上溅射有加热体，加热体的两端溅射有金属电极；所述加热体为形状弯曲的铂或镍金属；所述绝缘层材料为氮化硅或二氧化硅；所述隔热层材料为二氧化硅、氮化硅中的一种或两种。本发明体积小、重量轻而且性能稳定，加热体采用金属铂，它的线性度好、性能稳定、灵敏度高、有良好的化学稳定性；其制造工艺简单、成本低、成品率高、可靠性高。适用于各种大小真空封装以及微型腔体中进行真空度实时检测。
文档编号B81C1/00GK101608962SQ200910062620
公开日2009年12月23日 申请日期2009年6月9日 优先权日2009年6月9日
发明者川 刘, 胜 刘, 卓 张, 张鸿海, 汪学方, 甘志银, 罗小兵, 藜 黎 申请人:华中科技大学