微型皮拉尼真空传感器及其制作方法技术

本发明专利技术提供了一种微型皮拉尼真空传感器及其制作方法，该微型皮拉尼真空传感器包括衬底，所述衬底上形成有凹槽；结构层，所述结构层覆盖凹槽的开口且与凹槽合围形成空腔；所述凹槽的至少一个侧壁上开设有连通空腔的入口；加热部件，设置在结构层上且与衬底相对的一侧；所述加热部件为采用连续的加热丝体螺旋围绕形成的螺旋状结构，并且加热丝体的宽度从加热部件的中心向外围呈线性逐渐减小。通过将加热部件设计为变参数的螺旋状结构，补偿不同加热区域的加热功率，优化加热部件热均匀性，提高气体分子从加热部件到热沉热运动方向的一致性，从而增加散热效率，获得具有高测量灵敏度和可检测较小真空度的皮拉尼真空传感器。

【技术实现步骤摘要】
微型皮拉尼真空传感器及其制作方法
本专利技术涉及微电子机械系统
，具体涉及一种微型皮拉尼真空传感器及其制作方法。
技术介绍
基于微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS)微细加工工艺的皮拉尼真空传感器具有体积小、成本低、热响应快、测量范围广等优点，具有很广泛的应用。其基本原理是通过加热丝在不同真空度下热散失速率和周围气体压强之间的相关性实现真空度的测量。因此，其结构中通常包含加热体，通过给加热体施加电流对加热体进行加热，加热体通过和周围的气体进行对流换热进行散热。在不同的气压下，加热体的散热效率会跟随气压的变化而产生变化，进而表现为阻值的变化，通过对不同气压的加热体阻值的度量可以间接的进行真空度的测量。现有的纵向结构的微薄膜型皮拉尼真空传感器中，其敏感结构多采用等结构参数多弯折的蛇状或等结构参数的螺旋回折结构，传统等宽螺旋结构和等参数多弯折结构，其自身结构是一个镂空结构的膜层，在边界处与衬底间通过悬臂梁、锚爪或其他方式进行接触支撑，由于各区域的加热功率恒定，加热区域靠近中间的部分的热只能通过周围的空气热传导、热辐射进行热量传输，而靠近外围部分的则会通过悬臂梁、结构层与支撑结构相接处界面的固体热传导等产生额外的热损失，这将导致整个加热膜层的温度由内到外存在一个正梯度分布，而不是一个均匀的温度场，造成空腔内气体分子热输运路径杂乱，散热效率低等问题，进一步限制了灵敏度的进一步提升。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种微型皮拉尼真空传感器及其制作方法，该微型皮拉尼真空传感器将位于加热部件下方的空腔作为与外界连通的腔体，在加热的情况下，空腔中的气体分子会在布朗运动下将热量传输至下层的热沉，而通过将加热部件设计为变参数的螺旋状结构，补偿不同加热区域的加热功率，优化加热部件热均匀性，提高气体分子从加热部件到热沉热运动方向的一致性，从而增加散热效率，进而提升传感器的灵敏度，以解决现有技术中皮拉尼真空传感器散热效率低而阻碍其灵敏度的提升的技术问题。根据一个或多个实施例，一种微型皮拉尼真空传感器包括：衬底，所述衬底上形成有凹槽；结构层，所述结构层覆盖所述凹槽的开口且与所述凹槽合围形成空腔；所述凹槽的至少一个侧壁上开设有连通所述空腔的入口；加热部件，设置在所述结构层上且与所述衬底相对的一侧；所述加热部件为采用连续的加热丝体螺旋围绕形成的螺旋状结构，并且所述加热丝体的宽度从所述加热部件的中心向外围呈线性逐渐减小。根据一个或多个实施例，一种微型皮拉尼真空传感器的制作方法包括以下步骤：提供衬底；在所述衬底上形成结构层；在所述结构层上形成加热部件；并且所述加热部件呈螺旋状结构；采用湿法腐蚀工艺以使所述结构层与所述衬底之间形成具有入口的空腔。本专利技术中，通过设计特殊结构的加热部件以补偿不同加热区域的加热功率，优化加热丝体热均匀性，提高气体分子从加热丝体到热沉热运动方向一致性，提升气体分子从加热丝体向底部热沉热输运效率，从而增加散热效率，进而提升皮拉尼真空传感器的灵敏度，扩展其测量极限。本专利技术通过合理设计优化加热丝体的结构参数，能够有效降低结构层内温度梯度大所引起的热应力，从而提升器件的鲁棒性，满足MEMS皮拉尼真空传感器在高量程、高灵敏度和低测量极限等性能具有极高要求的领域内的使用。本专利技术中的微型皮拉尼真空传感器具有以下优点：1、加热体热均匀性一致性高；2、具有较高的测量灵敏度和测量范围；3、制造工艺简单；4、能够检测真空腔室的较小压力。附图说明通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本专利技术的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：图1为本专利技术实施例中微型皮拉尼真空传感器的结构设计图；图2为图1的俯视图；图3～图7为本专利技术实施例中微型皮拉尼真空传感器的制作方法的流程示意图。图中：1、衬底；2、结构层；3、加热部件；4、金属焊盘；5、引线；6、钝化层；7、空腔；8、窗口；9、加热部件的中心。具体实施方式下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。图1示出了本专利技术的一种构思中微型皮拉尼真空传感器的结构设计图，图7示出了微型皮拉尼真空传感器整体结构的横截面图。参考图1和图7所示，在衬底1上设置一结构层2。在本专利技术中，衬底1可以为硅片。参考图7所示，衬底1上形成有凹槽，并且凹槽的开口朝向结构层2。结构层2覆盖衬底1，并且结构层2覆盖在衬底1上凹槽开口的一侧，结构层2与凹槽合围形成空腔7。在本专利技术的实施例中，空腔7形成该微型皮拉尼真空传感器与外界连通的腔体。继续参考图7所示，凹槽的至少一个侧壁上开设有连通空腔7的入口。本专利技术中的传感器在工作时，待测腔体通过入口与腔体7连通，并采用一定的电学读出方法建立电学信号与真空度之间的关系，即可实现该微型皮拉尼真空传感器功能。参考图7所示，加热部件3制作在结构层2上，且位于与衬底1相对的一侧。加热部件3产生的热量主要通过分子热运动从结构层2经过空腔7传递到衬底1进行散热。在本专利技术的实施例中，加热部件3整体呈螺旋状结构，例如方形螺旋结构。参考图2所示，加热部件3采用一连续的加热丝体螺旋围绕形成，并且加热丝体的两端分别位于加热部件3的相对两端，两个金属焊盘4分别通过两个引线5连接加热丝体的两端。作为本专利技术的一种实施例，加热丝体的宽度从加热部件的中心9向外围呈线性逐渐变窄，也即可以通过调整加热丝体的宽度，以有效降低结构层2内温度梯度大所引起的热应力，提高气体分子从加热丝体到热沉热运动方向的一致性。作为本专利技术的另一种实施例，加热丝体的宽度的从加热部件的中心9向外围呈线性逐渐变窄，同时加热丝体之间形成的间隙从加热部件的中心9向外围呈线性逐渐减小；可以理解为通过同时调整加热丝体的宽度以及加热丝体之间形成的间隙，以有效降低结构层2内温度梯度大所引起的热应力，提高气体分子从加热丝体到热沉热运动方向的一致性。例如，设定加热丝体的宽度和间隙的调整系数为K，则从图2中的俯视图看，加热部件3整体结构中加热丝体的宽度以K为系数由中心向外围以线性比例逐渐减小，直至加热丝体表面积与结构层2表面积比达到一定的比例值。并且以加热部件3的中心处的加热丝体为中心，加热丝体的宽度大小和间隙大小呈上下对称以及左右对称分布。作为本专利技术的另一种实施例，加热丝体的表面积与结构层2的表面积比在2.5～3.5范围内。需要说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微型皮拉尼真空传感器，其特征在于，包括：/n衬底，所述衬底上形成有凹槽；/n结构层，所述结构层覆盖所述凹槽的开口且与所述凹槽合围形成空腔；所述凹槽的至少一个侧壁上开设有连通所述空腔的入口；/n加热部件，设置在所述结构层上且与所述衬底相对的一侧；/n所述加热部件为采用连续的加热丝体螺旋围绕形成的螺旋状结构，并且所述加热丝体的宽度从所述加热部件的中心向外围呈线性逐渐减小。/n

【技术特征摘要】
1.一种微型皮拉尼真空传感器，其特征在于，包括：
衬底，所述衬底上形成有凹槽；
结构层，所述结构层覆盖所述凹槽的开口且与所述凹槽合围形成空腔；所述凹槽的至少一个侧壁上开设有连通所述空腔的入口；
加热部件，设置在所述结构层上且与所述衬底相对的一侧；
所述加热部件为采用连续的加热丝体螺旋围绕形成的螺旋状结构，并且所述加热丝体的宽度从所述加热部件的中心向外围呈线性逐渐减小。


2.根据权利要求1所述的微型皮拉尼真空传感器，其特征在于，所述加热部件为采用一连续的加热丝体螺旋围绕形成的方形螺旋结构，并且所述加热丝体的两端分别位于所述加热部件的相对两端；
优选的，所述加热丝体之间的间隙从所述加热部件的中心向外围呈线性逐渐减小；
优选的，所述加热丝体的表面积与所述结构层的表面积比为2.5～3.5。


3.根据权利要求2所述的微型皮拉尼真空传感器，其特征在于，所述器件结构还包括设置在所述结构层上的两个金属焊盘和引线，所述两个金属焊盘分别通过所述两个引线连接所述加热丝体的两端。


4.根据权利要求1所述的微型皮拉尼真空传感器，其特征在于，所述器件结构还包括钝化层，所述钝化层覆盖所述加热部件和所述结构层设置；
所述钝化层以及所述结构层上对应开设有连通所述空腔的至少一个窗口。


5.一种微型皮拉尼真空传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供衬底；
在所述衬底上形成结构层；
在所述结构层上形成加热部件；并且所述加热部件呈螺旋状结构；
采用湿法腐蚀工艺以使所述结构层与所述衬底之间形成具有入口的空腔。...

【专利技术属性】
技术研发人员：焦斌斌，黄维康，孔延梅，赖俊桦，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11