專利名稱：真空微電子壓力傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種壓力傳感器，特別涉及一種真空微電子壓力傳感器，它應用的領 域為微機械電子(MEMS)領域中的壓力傳感器制造。
背景技術：
真空微電子壓力傳感器最早于1991年第六屆固態傳感器和執行器國際會議 (InternationalConference on Solid-State Sensors,Actuators and Microsystems)上
提出。真空微電子傳感器的工作原理是，傳感器的陽極相對于傳感器的陰極施加正電壓，在 陰極表面形成加速電場。當陽極彈性膜受壓變形時，傳感器的陰陽極之間的間距發生變化， 陰極表面場強隨之改變，從而導致陰極發射電流變化。 中國專利文獻l(專利申請號02204492，專利名稱真空微電子壓力傳感器)公 開了一種真空微電子壓力傳感器，其結構如圖l所示。其傳感器的主要特點是通過加載過 載保護環lla，解決了傳感器的過載保護和長期穩定性的問題。但是，它的陽極彈性膜3a受 到壓力時，陽極彈性膜將產生弧型形變，即陽極彈性膜的中間部分形變最大，而越靠近邊緣 形變越小，如圖3所示，導致壓力傳感器的靈敏度大幅降低。
發明內容
本發明的目的是提供一種真空微電子壓力傳感器，通過采用一種新的雙層膜結 構，以克服壓力傳感器的靈敏度大幅降低的問題。 本發明解決上述技術問題的技術方案在于，一種真空微電子壓力傳感器，包括硅 微場致發射陰極錐尖陣列9 、真空微腔7 、絕緣層6 、陽極彈性膜3 、陽極絕緣保護膜2 、引出電 極1、過載保護環11、金剛石膜8和絕緣襯底10，其特征在于，在所述陽極彈性膜3朝向真空 微腔7 —面的中部，有連成一體的陽極活塞膜5及其支撐柱4，且支撐柱4與過載保護環11 相對。 所述陽極活塞膜5與真空微腔7的內壁之間具有能使陽極活塞膜5上下自由活動 的間隙d。 所述陽極活塞膜5的寬度完全覆蓋與其相對的所述硅微場致發射陰極錐尖陣列 9，且所述陽極活塞膜5與所述硅微場致發射陰極錐尖陣列9之間的初始間距X。必須大于 靜電吸合位移值&與期望發射間距Xq之和，即X。 > (Xi+Xq)。 所述支撐拄4的位置與所述過載保護環11相對應，即支撐拄4的上下分別連于陽 極彈性膜3與陽極活塞膜5的中心，過載保護環11位于硅微場致發射陰極錐尖陣列9的中 心。 所述陽極活塞膜5及其所述支撐柱4與所述陽極彈性膜3具有相同材料，均為硅。
所述支撐柱4的厚度為5iim士0.5iim，所述陽極活塞膜5的厚度為 10 ii m±0. 5 ii m，所述陽極活塞膜5與所述真空微腔7內壁間的間隙d為5 y m±2 y m。
有益效果
本發明根據功能拆分的思想，采用了具有雙層膜結構的壓力傳感器，與常規的真空微電子壓力傳感器相比，本發明的真空微電子壓力傳感器具有以下特點
1.本發明結構的雙層膜的結構使得傳感器的陽極彈性膜功能被拆分，即它含有陽極彈性膜(以其中間位置的最大形變量來反映壓力變化)和陽極活塞膜(以其整體的平行移動量改變陽極與陰極間距從而改變陰極發射電流)。由于陽極活塞膜與陽極彈性膜相銜接的支撐柱位于陽極彈性膜的中部，此處是陽極彈性膜受壓力時弧形形變的形變最大位置，所以此時陽極彈性膜形變量有效值為常規壓力傳感器的陽極彈性膜形變的最大值，而不是常規真空微電子壓力傳感器設計中以其弧形形變的積分量作為有效值。場致發射電流J = AE2e—b氣其中，A、B、e為常量，而E = V/D，可近似認為場致發射電流與陽極活塞膜和陰極錐尖陣列之間的距離成反比。設陽極活塞膜與陰極錐尖陣列間的間距由50ym變化至20 ii m，陽極活塞膜寬度為1000 ii m，則可計算出，本發明結構的輸出電流變化量是常規結構的輸出電流變化量的5倍，因而使本發明的真空微電子壓力傳感器的靈敏度較之常規的真空微電子壓力傳感器提高100 300%。 2.本發明結構的支撐柱與過載保護環的相互對應。當過載時，陽極活塞膜受力點位于活塞膜中間與支撐柱連接的部分，將力傳到至陽極彈性膜，防止了陽極活塞膜與過載保護環碰觸而造成的永久形變，因而十分有利于傳感器的長期穩定工作。
圖1為常規的真空微電子壓力傳感器的橫向剖面結構示意 圖2為本發明的真空壓力微電子傳感器的橫向剖面結構示意圖。
圖3為常規的真空微電子壓力傳感器受壓力時的陽極彈性膜弧形形變的示意圖。
圖4為本發明的真空壓力微電子傳感器受壓力時陽極活塞膜平行移動的示意圖。
圖2中，1是引出電極、2是陽極絕緣保護膜、3是陽極彈性膜、4是支撐柱、5是陽極活塞膜、6是絕緣層、7是真空微腔、8是金剛石膜、9是硅微場致發射陰極錐尖陣列、10是絕緣襯底、11是過載保護環、12是硅襯底，d為陽極活塞膜5與真空微腔7的內壁之間能使陽極活塞膜5上下自由活動的間隙。
具體實施例方式
本發明的具體實施方式
不僅限于下面的描述。下面結合附圖對本發明方法加以進一步說明。 本發明的真空壓力微電子傳感器的橫向剖面結構示意圖如圖2所示，包括硅微場致發射陰極錐尖陣列9、真空微腔7、絕緣層6、陽極彈性膜3、陽極絕緣保護膜2、陽極活塞膜5、引出電極1 、過載保護環11和金剛石膜8，其中，在所述陽極彈性膜3朝向真空微腔7 —面的中部一體形成有與陽極彈性膜3相同硅材質的支撐柱4和連接在支撐柱頂端的陽極活塞膜5。 所述陽極活塞膜5作為傳感器的陽極接收部分，陽極活塞膜5與真空微腔7內壁之間具有上下活動的間隙d，陽極活塞膜5的寬度覆蓋過與其相對的整個硅微場致發射陰極錐尖陣列9，陽極活塞膜與硅微場致發射陰極錐尖陣列9之間的初始間距X。必須大于靜電吸合位移&加上期望發射間距Xq，即X。 > (Xi+Xq)。
本結構的工作原理陽極活塞膜5相對硅微場致發射陰極錐尖陣列9施加一定的 正電壓，陰極錐尖陣列9(即傳感器的陰極)和陽極活塞膜5(即傳感器的陽極)之間將形 成電場，當陰極錐尖陣列9的電場達到一定強度時，電子將克服表面勢壘溢出，被陽極活塞 膜5收集，從而形成電流。當陰極和陽極之間的電壓恒定時，對彈性膜3施加一定的壓力， 彈性膜將發生形變，使陰極錐尖與陽極活塞膜5之間的距離發生變化，引起錐尖表面附近 的電場發生變化，從而使陰極和陽極之間的電流發生變化。通過測量陰極和陽極的電流的 變化，即可測量到彈性膜3的形變以及受到的壓力的大小，其直接輸出量為電流信號。
由于與陽極彈性膜3 —體設計了活塞膜支撐柱4和陽極活塞膜5，當陽極彈性膜 3受到一定的壓力時，產生一定的形變，通過活塞膜支撐柱4帶動陽極活塞膜5整體向下移 動，使得陽極活塞膜5與硅微場致發射陰極錐尖陣列9之間的間距有效變化量大大提高，因 此，壓力傳感器的靈敏度得以大幅度提高。 本發明的真空微電子壓力傳感器采用常規IC工藝與深槽腐蝕、硅/硅鍵合相結合
的MEMS工藝技術。本發明的真空微電子傳感器的制作工藝流程具體如下 1.硅微場致發射陰極錐尖陣列9的制作 1)選用N型(100) Si單晶，電阻率為1 5Q cm ; 2)化學清洗和氧化，氧化層厚度500nm士50nm ; 3)光刻陰極錐尖陣列區； 4)干法腐蝕Si02和Si， Si的腐蝕深度為2 ii m±0. 1 ii m ; 5)去膠; 6)清洗氧化； 7)淀積Si304 ; 8)光刻中間的過載保護環11 ; 8)腐蝕錐間區的Si304 ; 9)光刻陰極錐尖陣列； 10)干法腐蝕Si02，腐蝕出錐尖； 11)干法腐蝕和濕法腐蝕相結合，形成錐尖厚度2 i！ m，頂部面積小于1 X 1 i！ m的錐 尖； 12)清洗一干氧+濕氧+干氧(95(TC)，將錐尖進一步縮小，去掉氧化層，獲得高度
2 P m、尖度小于0. 3 ii m的硅微場致發射陰極錐尖陣列9 ; 13)淀積金剛石薄膜； 2.陽極活塞膜5與支撐柱4的制備流程 1)選用N型(100) Si單晶，電阻率為1 5Q cm ; 2)化學清洗和氧化，氧化層厚度1 P m ; 3)光刻支撐柱； 4)干法腐蝕Si02和Si，形成5 ii m高的Si支撐柱4 ;
5) LPCVD淀積多晶硅，厚度約為6 y m ;
6) CMP拋光獲得平整表面； 7)再把所述N型Si單晶硅片同另外一個N型(lOO)Si單晶(電阻率為1 5 Q cm)進行硅/硅鍵合；
5
8)減薄拋光，得到陽極活塞膜厚度的硅薄膜(lOiim士O. 5ym); 9)光刻陽極活塞膜區； 10)干法腐蝕硅薄膜，形成陽極活塞膜5 ; ll)去膠； 12)采用HF+HN03+H20的混合液(1 : 1 : 10)腐蝕犧牲層，獲得具有支撐柱支撐 可移動的陽極活塞膜。 3.真空微電子壓力傳感器制備流程 1)將可動的陽極活塞膜5和陰極錐尖陣列9在HF溶液中(HF : H20 = 1 : 20) 腐蝕2分鐘，乙醇脫水； 2)立即將可動的陽極活塞膜5與陰極錐尖陣列9上下對準，進行硅/硅鍵合，形成 真空微電子壓力傳感器的真空微腔； 3)減薄拋光，獲得所需應力膜即陽極彈性膜5(厚度lOym);
4)淀積S叫，厚度1 ii m，光刻引線孔; 5)正反兩面濺射SiCrAu， SiCr做為黏附層，它們的厚度為SiCr/SiCrAu : 20nm/80nm ; 6)光刻正面引線；
5)合金； 6)劃片得到真空微電子壓力傳感器。 本發明方法中的氧化、光刻、腐蝕、去膠、清洗、淀積等均為本領域技術人員常規工 藝技術，也不是本發明方法的主題，在此不再詳述。
權利要求
一種真空微電子壓力傳感器，包括硅微場致發射陰極錐尖陣列(9)、真空微腔(7)、絕緣層(6)、陽極彈性膜(3)、陽極絕緣保護膜(2)、引出電極(1)、過載保護環(11)、金剛石膜(8)和絕緣襯底(10)，其特征在于，在所述陽極彈性膜(3)朝向真空微腔(7)一面的中部，有連成一體的陽極活塞膜(5)及其支撐柱(4)，且支撐柱(4)與過載保護環(11)相對。
2. 根據權利要求l所述的真空微電子壓力傳感器，其特征在于所述陽極活塞膜(5)與真空微腔(7)的內壁之間具有能使陽極活塞膜(5)上下自由活動的間隙d。
3. 根據權利要求1所述的真空微電子壓力傳感器，其特征在于所述陽極活塞膜(5)的寬度完全覆蓋與其相對的所述硅微場致發射陰極錐尖陣列(9)，且所述陽極活塞膜(5)與所述硅微場致發射陰極錐尖陣列(9)之間的初始間距X。必須大于靜電吸合位移值Xi與期望發射間距Xq之和，即X。 > (Xi+Xq)。
4. 根據權利要求l所述的真空微電子壓力傳感器，其特征在于所述支撐拄(4)的位置與所述過載保護環(11)相對應，即支撐拄(4)的上下分別連于陽極彈性膜(3)與陽極活塞膜(5)的中心，過載保護環(11)位于硅微場致發射陰極錐尖陣列(9)的中心。
5. 根據權利要求l所述的真空微電子壓力傳感器，其特征在于所述陽極活塞膜(5)及其所述支撐柱(4)與所述陽極彈性膜(3)具有相同材料，均為硅。
6. 根據權利要求1所述的真空微電子壓力傳感器，其特征在于所述支撐柱(4)的厚度為5iim士0. 5iim，所述陽極活塞膜(5)的厚度為10 y m±0. 5 y m，所述陽極活塞膜(5)與所述真空微腔(7)內壁間的間隙d為5 ii m±2 ii m。
全文摘要
一種真空微電子壓力傳感器，包括硅微場致發射陰極錐尖陣列、真空微腔、絕緣層、陽極彈性膜、陽極絕緣保護膜、引出電極、過載保護環、金剛石膜和絕緣襯底，其特征在于，在所述陽極彈性膜朝向真空微腔一面的中部，有連成一體的陽極活塞膜及其支撐柱，且支撐柱與過載保護環相對。本發明根據功能拆分的思想，采用了具有雙層膜結構的壓力傳感器，與常規的真空微電子壓力傳感器相比，本發明的真空微電子壓力傳感器的靈敏度較之常規的真空微電子壓力傳感器提高100～300％。并且，由于本發明結構的支撐柱與過載保護環的相互對應，防止了陽極活塞膜與過載保護環碰觸而造成的永久形變，因而十分有利于傳感器的長期穩定工作。
文檔編號B81C1/00GK101762356SQ20101004206
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月15日 優先權日2010年1月15日
發明者徐世六, 毛立龍, 溫志渝 申請人:中國電子科技集團公司第二十四研究所;重慶大學