一种宽量程的MEMS真空计及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种宽量程的MEMS真空计及其制作方法，该MEMS真空计包括本体和键合在本体上方的盖板，本体包括具有腔体的衬底一，形成于衬底一及腔体上表面的介质层，以及形成于介质层上表面、且局部位于腔体上方的热敏部件；盖板包括衬底二，衬底二下表面通过环形支撑柱与本体键合，位于热敏部件上方的衬底二下表面形成有微纳结构，支撑柱之间存在导气通道。本发明专利技术通过设置盖板，减小了加热器与热沉之间的垂直距离，有利于提高MEMS真空计的测量上限，同时盖板上的微纳结构有利于增大加热器与热沉间气体热传导的面积，即有利于增加气体的热传导，从而提高MEMS真空计的测量下限。因此，本发明专利技术的MEMS真空计可有效扩展测量范围，实现宽量程。实现宽量程。实现宽量程。

【技术实现步骤摘要】
一种宽量程的MEMS真空计及其制作方法


[0001]本专利技术属于MEMS传感
，特别涉及一种宽量程的MEMS真空计及其制作方法。

技术介绍

[0002]真空是指气体压强低于一个标准大气压的稀薄气体的特殊空间状态。真空计作为测量和应用真空的一种仪表，在航天、工业、科学研究和医药等行业得到了日益广泛的应用。
[0003]20世纪80年代以来，随着微机电系统(Micro Electro Mechanical System,MEMS)技术的发展与成熟，真空计的小型化、微型化得以实现。MEMS真空计，尤其是MEMS热传导型真空计，具有体积小、功耗低、灵敏度高、可批量生产和成本低等优点，迅速成为研究和应用的热点。根据测温方法的不同，MEMS热传导型真空计可分为皮拉尼(电阻型)真空计和热电堆真空计，其中，皮拉尼真空计的加热器和测温器都是电阻，而热电堆真空计的加热器是电阻，测温器是热电堆。当环境气体压强不同时，气体与加热器之间的热交换状态发生改变，加热器及其周围的温度随之发生变化，因此，可以利用电阻阻值或热电堆的塞贝克效应测量这种变化来表征环境的气体压强。
[0004]虽然MEMS真空计具有诸多优点，但测量范围较窄，成为制约其发展与应用的主要因素之一。为此，研究人员提出了多种有效的技术方案，如通过减小加热器与热沉之间的垂直距离来提高真空计的测量上限，通过增大加热器的表面积来提高真空计的测量下限。然而，随着应用的不断推广和深入，MEMS真空计的测量范围亟需得到进一步提高，现有的方法不能满足日益提高的测量范围的需求。

技术实现思路

[0005]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种宽量程的MEMS真空计及其制作方法，通过设置具有微纳结构的盖板，达到扩展MEMS真空计测量范围的目的。
[0006]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0007]一种宽量程的MEMS真空计，包括本体和键合在本体上方的盖板，所述本体包括具有腔体的衬底一，形成于衬底一及腔体上表面的介质层，以及形成于介质层上表面、且局部位于腔体上方的热敏部件；所述盖板包括衬底二，所述衬底二下表面通过环形支撑柱与所述本体键合，位于热敏部件上方的衬底二下表面形成有微纳结构，所述支撑柱之间存在导气通道。
[0008]上述方案中，所述微纳结构为硅黑或铂黑，所述硅黑通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法图形化衬底二下表面形成，所述衬底二采用单面抛光或双面抛光的硅衬底，所述硅黑的截面形状为矩形、三角形、梯形的一种；所述铂黑通过电镀的方法形成。
[0009]上述方案中，所述热敏部件为加热器一，所述加热一的材料为掺杂多晶硅或金属。
[0010]上述方案中，所述热敏部件包括局部位于腔体上方的加热器二和位于加热器二周
围的热电堆，所述热电堆包括第一热电偶臂和位于第一热电偶臂上方的第二热电偶臂，所述第一热电偶臂和第二热电偶臂之间通过绝缘层隔离，且所述绝缘层上开设用于连接第一热电偶臂和第二热电偶臂的接触孔。
[0011]优选地，所述腔体由衬底一的上表面向内凹入一定深度形成。
[0012]上述方案中，所述衬底一采用单面抛光或双面抛光的硅衬底，所述介质层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。
[0013]上述方案中，所述绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。
[0014]一种宽量程的MEMS真空计的制作方法，包括本体的制备、盖板的制备，以及本体与盖板的键合；
[0015]所述本体的制备包括如下步骤：
[0016]S1、提供一衬底一，并于衬底一上形成介质层；
[0017]S2、于介质层上局部形成热敏部件；
[0018]S3、对部分介质层进行刻蚀形成释放孔，通过释放孔对衬底一进行释放形成腔体；
[0019]所述盖板的制备包括如下步骤：
[0020]S4、提供一衬底二，于衬底二上刻蚀凹槽以形成具有导气通道的环形支撑柱；
[0021]S5、在衬底二部分下表面上形成微纳结构；
[0022]最后，将盖板的支撑柱通过键合工艺与本体进行组装，组装后微纳结构位于热敏部件上方。
[0023]进一步的技术方案中，步骤S2中，所述热敏部件为加热器一，所述加热一的材料为掺杂多晶硅或金属，掺杂多晶硅通过低压力化学气相沉积、离子注入、退火、刻蚀工艺的组合方法形成，金属通过剥离工艺形成，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法形成。
[0024]进一步的技术方案中，步骤S2中，所述热敏部件包括局部位于腔体上方的加热器二和位于加热器二周围的热电堆，具体制备方法如下：
[0025](1)通过低压力化学气相沉积、离子注入、退火、刻蚀工艺的组合在介质层上形成掺杂多晶硅，其中，部分所述掺杂多晶硅作为加热器二，部分所述掺杂多晶硅作为第一热电偶臂；
[0026](2)通过低压力化学气相沉积或等离子体化学气相沉积的方法在掺杂多晶硅上形成绝缘层，并采用干法刻蚀形成接触孔；
[0027](3)通过剥离工艺，或通过先溅射或蒸镀后刻蚀的方法在绝缘层上形成金属层，其中，部分所述金属层作为第二热电偶臂，与第一热电偶臂共同形成热电堆，部分所述金属层作为电极。
[0028]通过上述技术方案，本专利技术提供的一种宽量程的MEMS真空计及其制作方法具有如下有益效果：
[0029]1、本专利技术基于MEMS技术制造的真空计具有体积小、功耗低、灵敏度高、响应速度快等优点，且制备过程简单，可控性强，工艺兼容性高。
[0030]2、一方面，本专利技术通过正面腐蚀方法形成腔体，且利用键合工艺在MEMS真空计上设置盖板，因而可以获得较小的加热器与衬底/盖板热沉之间的垂直距离，有利于提高MEMS真空计的测量上限；另一方面，通过在盖板上形成微纳结构，有利于增大加热器与热沉间气体热传导的面积，即有利于增加气体的热传导，从而提高MEMS真空计的测量下限。因此，本
专利技术的MEMS真空计可实现较宽的测量范围。
附图说明
[0031]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0032]图1为本专利技术实施例一所公开的本体结构立体图；
[0033]图2
‑
图5所示为本专利技术实施例一所公开的本体制备各步骤的剖面结构示意图(图1中A
‑
A剖面)；
[0034]图6为本专利技术实施例二所公开的本体结构立体图；
[0035]图2、图7
‑
图11所示为本专利技术实施例二所公开的本体制备各步骤的剖面结构示意图(图6中B
‑
B剖面)；
[0036]图12为本专利技术所公开的形成有凹槽的盖板仰视图；
[0037]图13为图12的C
‑
C剖视图；
[0038]图14为图13所示的盖板上形成硅黑微纳结构的示意图；
[0039]图15为图13所示的盖板上形成铂黑微纳结构的示意图；
[0040]图1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，包括本体和键合在本体上方的盖板，所述本体包括具有腔体的衬底一，形成于衬底一及腔体上表面的介质层，以及形成于介质层上表面、且局部位于腔体上方的热敏部件；所述盖板包括衬底二，所述衬底二下表面通过环形支撑柱与所述本体键合，位于热敏部件上方的衬底二下表面形成有微纳结构，所述支撑柱之间存在导气通道。2.根据权利要求1所述的一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，所述微纳结构为硅黑或铂黑，所述硅黑通过干法刻蚀或湿法腐蚀的方法图形化衬底二下表面形成，所述衬底二采用单面抛光或双面抛光的硅衬底，所述硅黑的截面形状为矩形、三角形、梯形的一种；所述铂黑通过电镀的方法形成。3.根据权利要求1所述的一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，所述热敏部件为加热器一，所述加热一的材料为掺杂多晶硅或金属。4.根据权利要求1所述的一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，所述热敏部件包括局部位于腔体上方的加热器二和位于加热器二周围的热电堆，所述热电堆包括第一热电偶臂和位于第一热电偶臂上方的第二热电偶臂，所述第一热电偶臂和第二热电偶臂之间通过绝缘层隔离，且所述绝缘层上开设用于连接第一热电偶臂和第二热电偶臂的接触孔。5.根据权利要求1所述的一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，所述腔体由衬底一的上表面向内凹入一定深度形成。6.根据权利要求1所述的一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，所述衬底一采用单面抛光或双面抛光的硅衬底，所述介质层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。7.根据权利要求4所述的一种宽量程的MEMS真空计，其特征在于，所述绝缘层的材料为氧化硅、氮化硅的一种或两种组合。8.一种如...

【专利技术属性】
技术研发人员：田伟，胡国庆，
申请(专利权)人：青岛芯笙微纳电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：