一种新型片上微型真空传感器及其制造方法技术

本申请公开了一种新型片上微型真空传感器及其制造方法，其包括衬底，位于所述衬底表面的由氧化物或氮化物构成的绝缘材料层，部分或全部位于所述绝缘材料层上面的电极对，所述绝缘材料层经施加电压软击穿后内部或表面形成电子隧穿结，电极对与电子隧穿结中的导电区域接触。此片上微型真空传感器的工作原理是，电极对用于驱动电子隧穿结中产生传导电流，在驱动电压作用下，电子隧穿结的宽度随气压而动态变化，通过隧穿结的传导电流随气压增大而衰减，因此可以通过读取不同压强下隧穿结的电阻值来测量压强大小。此片上微型真空传感器压强测量范围为0.1～104Pa，具有宽量程，结构简单，易加工等优点，可实现小空间压强探测。可实现小空间压强探测。可实现小空间压强探测。

【技术实现步骤摘要】
一种新型片上微型真空传感器及其制造方法


[0001]本申请涉及电子科学与
，尤其涉及一种基于电子隧穿结的片上微型真空传感器及其制造方法。

技术介绍

[0002]真空传感器是一种测量真空度或气压的仪器，广泛应用于各种工业设备中。目前，传统的真空传感器虽然发展成熟，但是具有体积大、功耗高、质量大等缺点。在部分领域，诸如微小空间的真空测量和航天航空中，对真空传感器的尺寸、重量和功率都有着非常严格的限制，因此真空传感器的微型化和片上化具有非常重要的意义。
[0003]片上(on
‑
chip)微型真空传感器(miniature vacuum gauge)已经研究得比较成熟，目前已有多种片上微型电子源诸如微型化的皮拉尼真空传感器、微型化的薄膜真空传感器、石英真空传感器和微型化的电离真空传感器等等。在应用中，许多不同类型的真空传感器依次工作以测量气体压力。例如，如果测量高真空，则使用某些类型的薄膜或热导真空传感器测量105至101Pa的压力，然后电离真空传感器开始测量101Pa以下的气体压力。
[0004]尽管基于各种微结构和传感方法的片上微型真空传感器已经被提出，但是这些微型化、片上化的真空传感器仍存在着各种各样的不足。最常见的微型皮拉尼真空传感器是根据周围气体的导热性来测量真空压力，可以提供高灵敏度和0.1～105Pa的宽检测范围。然而，大多数微型皮拉尼真空传感器由于其悬浮和单片集成MEMS结构的机械脆弱性导致其在直接暴露于测试环境时容易损坏。此外，它的独立式微加工零件缺乏机械坚固性以及版图设计与了许多标准IC工艺的设计规则不相兼容。对于电离真空传感器而言，一方面由于需要一定空间用于气体电离碰撞因此其小型化存在一定的难度，另一方面电离真空传感器通常采用热阴极或者场发射阴极提供电子，寿命问题、热耗散问题难以解决。此外，由于皮拉尼和热电离真空传感器是热驱动的，热效应是它们集成在CMOS电路中的关键问题。对于薄膜真空传感器，仍存在着由于膜片蠕变导致的零点漂移问题和尺度限制问题。石英晶体传感器精度高，但价格昂贵，可用性差。
[0005]另一方面，上述个各种微型真空传感器复杂的结构和制造工艺对其实用化的批量制造十分不利。例如，皮拉尼真空传感器、热电离真空传感器所需要的悬浮结构器，需要经过蚀刻工艺或使用牺牲层等复杂的工艺流程。电离真空传感器通常有多个电极或层，由阴极、栅极和阳极组成。因此，具有简单结构、低成本制造和易于集成的实用微型真空传感器很少被报道。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本申请提供了一种片上微型真空传感器及其实现方法，本专利技术的真空传感器主要由在软击穿的绝缘材料层中内部或者表面形成导电区域
‑
绝缘区域
‑
导电区域的电子隧穿结构成，在一定的驱动电压作用下所述电子隧穿结的电阻值对真空气压具有高度的敏感性。具有结构简单、易加工、工作电压低、可集成等优点，探测范围在～0.1
‑
104Pa，
初步实现了真空传感器的片上化和微型化的目标，进而使其满足较多的应用需求。
[0007]为了解决上述技术问题，本申请采用了如下技术方案：
[0008]本申请提供了一种基于电子隧穿结的片上微型真空传感器，包括：
[0009]衬底；
[0010]位于所述衬底表面的由氧化物或氮化物构成的绝缘材料层，所述绝缘材料层经施加电压软击穿后可由绝缘态变成导电态；
[0011]所述绝缘材料层经施加电压软击穿后内部或表面形成电子隧穿结；
[0012]所述电子隧穿结由导电区域
‑
绝缘区域
‑
导电区域构成，所述电极对与所述电子隧穿结的导电区域接触，所述电极对用于驱动所述电子隧穿结产生传导电流。
[0013]可选的，所述由氧化物或氮化物构成的绝缘层可选自下列材料中的一种或者多种：氧化铝、氧化硅、氧化铍、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化镍、氧化锗、氮化铝、氮化硅、氮化钛、氮化钨。
[0014]可选的，所述电极对选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯、碳纳米管或者导电二维材料。
[0015]可选的，所述衬底选自下列材料中的一种或者多种：硅、锗、氧化硅、玻璃、氧化铝、氧化铍、氮化硅、氮化铝、碳化硅、金刚石、陶瓷。
[0016]可选的，所述电极对包括延伸至两个区域电极之外的两个相对的指状电极，每个所述区域电极包括至少一个指状电极。
[0017]本申请还提供了一种微型真空传感器系统，包括基座，以及所述的微型真空传感器；所述基座用于提供所述驱动电极对和所述电路模块的电连接。
[0018]可选的，所述微型真空传感器系统还包括电路模块；所述电路模块与所述电源连接端口连接，用于通过所述电源连接端口为所述微型真空传感器的驱动电极对提供电压、调控所述电压、读取电阻。
[0019]本申请还提供了一种片上微型真空传感器的制造方法，包括：
[0020]提供衬底；
[0021]在所述衬底表面制备由氧化物或氮化物构成的绝缘材料层；
[0022]在所述衬底上形成部分或全部位于所述绝缘材料层上面的电极对或电极对阵列，所述电极对之间存在间隙或间隙阵列；
[0023]给所述电极对或电极对阵列施加电压使电极对间隙内的绝缘材料层发生软击穿，使其由绝缘态转变为导电态。
[0024]相较于现有技术，本申请具有以下有益效果：
[0025]基于以上技术方案可知，本申请提供了一种片上微型真空传感器及其制造方法。该片上微型真空传感器采用了一种新型的导电区域
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绝缘区域
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导电区域的电子隧穿结的结构，电极对用于驱动电子隧穿结中产生传导电流，在驱动电压作用下，隧穿结的宽度随气压而动态变化，通过隧穿结的传导电流随气压增大而衰减，因此可以通过读取不同压强下隧穿结的电阻值来测量压强大小。基于电子隧穿结的片上微型真空传感器具有以下几点优势：一是结构简单、易加工、工作电压低，避免了传统电离真空存在的体积大、结构复杂、功耗高以及皮拉尼真空传感器存在的热效应、结构脆弱性等问题，初步实现了真空传感器的片上化和微型化。二是具有较宽的探测量程(～0.1
‑
104Pa)，适用于高压强探测。三是尺寸
小，在小空间压强探测方面具有应用前景。四是该真空传感器的制造过程更与集成电路工艺相兼容，可大规模批量加工，生产成本低。
附图说明
[0026]图1为本专利技术中的片上微型真空传感器的工作原理图；图1(a)是电极间隙中的由一种或者多种氧化物或者氮化物构成的绝缘材料软击穿后形成的导电区域
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绝缘区域
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导电区域的电子隧穿结的示意图；图1(b)是所述电子隧穿结的能带结构示意图；图1(c)是所述电子隧穿结结构随真空气压变化的结构示意图，其中：210和211为由导电区域，212为绝缘氧化硅沟道，d1、d2、d3为随气压增大电子隧穿结中氧化硅沟道的宽度，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种片上微型真空传感器，其特征在于，包括：衬底；位于所述衬底表面的由氧化物或氮化物构成的绝缘材料层，所述绝缘材料层经施加电压软击穿后可由绝缘态变成导电态；部分或全部位于所述绝缘材料层上面的电极对，所述电极对的间隙内具有所述绝缘材料层，且被软击穿变成导电态。2.根据权利要求1所述的片上微型真空传感器，其特征在于，所述绝缘材料层经所述电极对施加电压软击穿后内部或表面形成电子隧穿结。3.根据权利要求2所述的片上微型真空传感器，其特征在于，所述衬底的上方设有所述绝缘材料层(2)以及与之两侧接触的电极对，所述电子隧穿结由第一导电区域(210)
‑
绝缘区域(212)
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第二导电区域(211)构成，第一导电区域(210)、第二导电区域(211)分别与所述电极对中的一电极相连。4.根据权利要求1所述的片上微型真空传感器，其特征在于，所述绝缘材料层由以下一种或多种材料制成：氧化铝、氧化硅、氧化铍、氧化钽、氧化铪、氧化钨、氧化锌、氧化镁、氧化锆、氧化钛、氧化镍、氧化锗、氮化铝、氮化硅、氮化钛、氮化钨；所述电极对选自下列材料中的一种或多种：金属、石墨烯、碳纳米管或者导电二维材料；所述衬底选自下列材料中的一种或者多种：硅、锗、氧化硅、玻璃、氧化铝、氧化铍、...

【专利技术属性】
技术研发人员：魏贤龙，詹芳媛，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：