一种带温度补偿式微真空传感器的制作方法

日期:2019-03-02 15:12:46

专利名称:一种带温度补偿式微真空传感器的制作方法
技术领域
本发明涉及一种微真空传感器,特别是涉及一种利用MEMS技术的基于纳米硅尖场发射的带温度补偿式微真空传感器。
背景技术
由于真空微电子器件具有抗辐射、高速开关性等优点,使其在众多领域得到了广泛的应用,例如显示器件、通信、数据处理和传感器等。目前,大部分微电子器件和微机电传感器都需要在一定的真空环境下才能正常工作,由于现有真空封装技术存在残余应力并且随着时间推移会有密封失效的问题,因此必须随时监控这些器件工作环境的真空度,确保其可靠性,故微真空传感器成为目前真空传感器研究的一个热点而被人们广泛重视。现有的微真空传感器主要有热传导式微真空传感器、薄膜式微真空传感器、谐振式微真空传感器、电离式微真空传感器和真空微电子真空传感器等。热传导式微真空传感器的工作原理是气体分子平均自由程长于特征尺寸时,气体热传导现象与气体压强有关, 通过测量物体温度变化得出物体所处环境的真空度。薄膜式微真空传感器的工作原理是根据弹性元件在气体分子的静压力下产生变形,然后用机械、光学或者电气的方法将这种压变效应检测出来,以此测量气体压强。谐振式微真空传感器的工作原理是由于气体分子的阻尼作用,使得振动物体在不同的真空度下的共振频率不同,通过检测频率变化测量出真空度。电离式微真空传感器的工作原理是利用荷能粒子将真空中的气体分子电离,所产生的离子流与真空度有关,通过测量离子流得出真空度。真空微电子真空传感器结合了微电子技术、MEMS技术和真空电子技术,使传感器的体积大大缩小,弥补了传统真空传感器在体积上难以集成化的缺陷。目前研究较多的是真空微电子二极管式的真空传感器,它以 i^owler-Nordheim场发射理论为基础,利用阳极薄膜在气体分子压力的作用下产生弹性形变,使得场发射极间距改变导致场发射电流变化,通过测量电流变化得出真空度的大小。由于薄膜式和真空微电子式的微真空传感器本身有膜式密封腔结构,存在残余应力问题,电离式、谐振式、热传导式微真空传感器结构较复杂,制作难度较大,不易与其他微器件集成, 因此应用范围受到限制。为了解决上述问题,本申请的发明人孙道恒在中国专利ZL200710008601. 7中提供一种基于纳米硅尖场发射的微真空传感器,该传感器是以半导体场发射原理为依据,利用发射体实际功函数受真空度变化而变化从而导致场发射电流改变的原理,通过测量电流大小得出真空度的大小。该传感器具有信号易检测、易于集成、便于批量生产等优点,在诸如真空设备、航空航天装置、医疗器械等需要真空测量的领域中都具有巨大的市场潜力。但是该传感器也存在一些问题实验中发现,该传感器对温度非常敏感,在环境真空度、电压等不变的情况下,当温度改变时,场发射电流随之剧烈变化,这点限制了该传感器的实际应用。为了证明该传感器对温度的敏感性,Genhuang Zhuang等人(Genhuang ZhuangjLingyun Wang, DaohengSun. The Effect of Temperature on Field Emission Current. Adcanced Materials Research,2009,60-61 :461-464)对该传感器进行了 3种散热方式的实验实验一对传感器加上不同时间间断的电压,实验二用一个冷金属棒接触传感器表面,实验三把传感器放在开动的风扇前,通过这3种不同热量发散方式来影响传感器温度,在3个实验中都发现场发射电流发生了明显的变化。这些实验表明,即使环境真空度、电压等条件保持不变,如果温度改变,例如环境温度改变或传感器本身电流改变所产生的发热变化,都会引起传感器输出电流值的变化。由此可见,对于同样一个真空传感器,在电压一定的情况下, 环境真空度和温度都是场发射电流的影响因素。所以必须要想方法消除由温度改变引起的电流变化,从而建立环境真空度与场发射电流之间的一一对应关系,才能使这种传感器具有实际的应用价值。

发明内容
本发明的目的在于针对现有基于纳米硅尖场发射微真空传感器对外界或本身温度变化较为敏感的缺陷,提供一种带温度补偿型、测量更加准确、更有推广应用价值的带温度补偿式微真空传感器。本发明设有衬底、硅尖阵列发射阴极、金属阳极、阴极引出电极、阳极引出电极、第 1发射腔体和第2发射腔体,金属阳极和阳极引出电极溅射在衬底的表面上,阴极引出电极溅射在硅片上,硅尖阵列发射阴极刻蚀在硅片上,硅片与衬底键合在一起形成第1发射腔体和第2发射腔体,第1发射腔体与所测环境相互连通,第2发射腔体通过键合技术使硅片与衬底真空密封,第1发射腔体和第2发射腔体通过硅片连接在一起,通过阳极引出电极和阴极引出电极在第1发射腔体和第2发射腔体的阴极与阳极之间加上固定电压,分别测量两个场发射电流的大小,由测得的两个场发射电流的差值得出环境真空度的大小。所述衬底可采用玻璃衬底。根据测量精度的不同,可设置第2发射腔体内的压力在10_6 10’a变化。所述第1发射腔体和第2发射腔体内的硅尖阵列发射阴极相同,金属阳极、阴极引出电极、阳极引出电极大小形状可相同。测量中,为了获得较高的灵敏度,硅尖阵列发射阴极与金属阳极之间的间距可控制在1 20 μ m范围之内。由于第2发射腔体中的场发射电流只受到温度变化影响,第1发射腔体中的场发射电流同时受真空度与温度变化的影响, 再加上硅片具有良好的传热性能,因而2个发射腔体除了真空度不同之外其余条件包括温度在内都相同,因此2个场发射电流之间的差值便能反映出所测环境真空度的大小,从而极大减小了温度变化所引起的测量误差。第1发射腔体和第2发射腔体的形状大小可相同。与现有的技术相比,本发明的突出效果是增加了一个起温度补偿作用的密封真空腔,通过对两个发射腔体场发射电流的分别测量和对比分析,建立了环境真空度与两场发射电流之间的定量数学关系,极大地减小了现有场发射真空传感器受温度影响所产生的测量误差,可以显著地提高传感器的测量精度。


图1是本发明实施例的结构示意图。图2是图1的A-A剖示图(第2发射腔体的截面图)。图3是本发明实施例的俯视图。图4是本发明实施例的第2发射腔体所对应的硅尖阵列发射阴极平面图。
图5是本发明实施例的第1发射腔体所对应的硅尖阵列发射阴极平面图。图6是本发明实施例的金属阳极和阳极引出电极的平面图。图7是本发明实施例的测试系统示意图。
具体实施例方式参见图1 6,本发明实施例设有衬底1、硅尖阵列发射阴极2、金属阳极3、阴极引出电极4、阳极引出电极5和发射腔体,金属阳极3和阳极引出电极5溅射在衬底1的表面上,阴极引出电极4溅射在硅片上,硅尖阵列发射阴极2刻蚀在硅片上,硅片与衬底1键合在一起形成2个发射腔体,第1发射腔体6与所测环境相互连通,第2发射腔体7通过键合技术使硅片与衬底1真空密封,第1发射腔体6和第2发射腔体7通过硅片连接在一起,通过阳极引出电极5和阴极引出电极4在第1发射腔体6和第2发射腔体7的阴极与阳极之间加上固定电压,分别测量两个场发射电流的大小,由测得的两个场发射电流的差值得出环境真空度的大小。所述衬底1可采用玻璃衬底1。根据测量精度的不同,可设置第2发射腔体7内的压力在10_6 KT1Pa变化。所述第1发射腔体6和第2发射腔体7内的硅尖阵列发射阴极2相同,金属阳极 3、阴极引出电极4、阳极引出电极5大小形状可相同。测量中,为了获得较高的灵敏度,硅尖阵列发射阴极2与金属阳极3之间的间距可控制在1 20 μ m范围之内。由于第2发射腔体7中的场发射电流只受到温度变化影响,第1发射腔体6中的场发射电流同时受真空度与温度变化的影响,再加上硅片具有良好的传热性能,因而2个发射腔体除了真空度不同之外其余条件包括温度在内都相同,2个场发射电流之间的差值便能反映出所测环境真空度的大小,从而减小温度变化所引起的测量误差。第1发射腔体6和第2发射腔体7的形状大小可相同。第1发射腔体6与所测真空环境相互连通,假设所测真空环境气压为Pl ;第2发射腔体7是一个与所测真空环境相隔离的密封腔,其真空度是一个常数,假设制作时该密封腔体内的气压为P2。很显然,Pl是需要测量的变化量,P2是人为控制的常量。根据场发射微真空传感器的工作原理可知,对于极间距、硅尖形状、硅尖曲率半径不变的场发射结构,其场发射电流的大小取决于环境真空度的大小。同时,场发射电流也会随着温度的改变而变化。在第1发射腔体6和第2发射腔体7的阴阳极引出电极之间加上相同的固定电压,由于两个腔体中的场发射结构相同,因此,两个场发射电流的大小就取决于环境真空度和温度。对于第1发射腔体6中的场发射电流II,它同时受环境真空度和温度变化的影响; 而对于第2发射腔体7中的场发射电流12,由于气压P2是个常数,因此12只受温度变化的影响。第1发射腔体6和第2发射腔体7通过连接硅片9相连接,由于硅具有良好的导热性能,所以两个发射腔体中的温度相同,因此受温度影响导致的场发射电流的改变也相同。 由以上分析可以知道,Il和12之间的差异仅是由环境真空度和密封腔内真空度的不同而产生,通过对Il和12的差值分析比较,得到新的电流参数I,建立电流I与环境真空度之间的一一对应关系,就可以用得到的I去获得所测环境的真空度,因此该种测量方式可以极大地减小由于温度变动引起的场发射电流的变化,从而提高传感器的测量精度。参见图7,将本发明的真空传感器放入所需测量的真空环境中,通过阴极引出电极 4和阳极引出电极5将合适大小的固定电压加在两个腔体的金属阳极3和硅尖阵列发射阴极2之间,电压由稳压电源E提供,第1发射腔体6中的场发射电流Il由电流计Al测量读出,第2发射腔体7中的场发射电流12由电流计A2测量读出,Al和A2是由同一厂家生产的精度等级一致的电流计。同时,为了防止电流通过阴极引出电极、硅片、金属阳极、阳极引出电极构成通路,因此需要在硅片与金属阳极连接处设置一层绝缘层8,保证电流计测得的电流为场发射电流。假设I与II、12之间的函数关系为I = G(I1, 12),I与环境真空度 P之间的函数关系为P = H(I),所以P和II、12的函数关系为P = H(G(I1,12)) = F(I1, 12);通过该函数关系就可方便地用II、12计算得到所测环境真空度P,由于所测试的P极大地减小了温度变化带来的影响而仅仅与环境真空度有关系,因此较现有的基于纳米硅尖场发射的微真空传感器测量结果更为精确。
权利要求
1.一种带温度补偿式微真空传感器,其特征在于设有衬底、硅尖阵列发射阴极、金属阳极、阴极引出电极、阳极引出电极、第1发射腔体和第2发射腔体,金属阳极和阳极引出电极溅射在衬底的表面上,阴极引出电极溅射在硅片上,硅尖阵列发射阴极刻蚀在硅片上,硅片与衬底键合在一起形成第1发射腔体和第2发射腔体,第1发射腔体与所测环境相互连通, 第2发射腔体通过键合技术使硅片与衬底真空密封,第1发射腔体和第2发射腔体通过硅片连接在一起,通过阳极引出电极和阴极引出电极在第1发射腔体和第2发射腔体的阴极与阳极之间加上固定电压,分别测量两个场发射电流的大小,由测得的两个场发射电流的差值得出环境真空度的大小。
2.如权利要求1所述的一种带温度补偿式微真空传感器,其特征在于所述衬底采用玻璃衬底。
3.如权利要求1所述的一种带温度补偿式微真空传感器,其特征在于所述第2发射腔体内的压力在1(Γ6 10-1! 变化。
4.如权利要求1所述的一种带温度补偿式微真空传感器,其特征在于所述第1发射腔体和第2发射腔体内的硅尖阵列发射阴极相同。
5.如权利要求1所述的一种带温度补偿式微真空传感器,其特征在于所述金属阳极、 阴极弓丨出电极、阳极弓丨出电极大小形状相同。
6.如权利要求1所述的一种带温度补偿式微真空传感器,其特征在于所述第1发射腔体和第2发射腔体的形状大小相同。
全文摘要
一种带温度补偿式微真空传感器,涉及一种微真空传感器。设有衬底、硅尖阵列发射阴极、金属阳极、阴极引出电极、阳极引出电极、2个发射腔体,金属阳极和阳极引出电极溅射在衬底的表面上,阴极引出电极溅射在硅片上,硅尖阵列发射阴极刻蚀在硅片上,硅片与衬底键合在一起形成第1发射腔体和第2发射腔体,第1发射腔体与所测环境相互连通,第2发射腔体通过键合技术使硅片与衬底真空密封,第1发射腔体和第2发射腔体通过硅片连接在一起,通过阳极引出电极和阴极引出电极在第1发射腔体和第2发射腔体的阴极与阳极之间加上固定电压。测量准确、具有推广应用价值。
文档编号B81B3/00GK102230837SQ20111007843
公开日2011年11月2日 申请日期2011年3月30日 优先权日2011年3月30日
发明者孙道恒, 王凌云, 程伟, 苏源哲, 邱永荣 申请人:厦门大学


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