CN103424224A - 微机械真空传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种微机械真空传感器，包括设置在微桥面单元两端的第一导热桥臂及第二导热桥臂，第一导热桥臂及第二导热桥臂分别通过第一连接桥墩及第二连接桥墩与第一支撑点及第二支撑点相连，所述第一支撑点及所述第二支撑点位于微桥面单元的下方并与微桥面单元之间存在间隙；微桥面单元的上表面上设置有电阻式温敏涂层，所述微桥面单元上表面的相对两侧分别设置有桥面电气连接走线，第一导热桥臂及第二导热桥臂上分别设置有与相应的桥面电气连接走线相连的桥臂电气连接走线，两条桥臂电气连接走线分别延伸至相应的支撑点。本发明通过测量桥面电阻推算环境的真空度，具有灵敏度高、体型小以及和CMOS工艺兼容等显著优点。

Description

微机械真空传感器

技术领域

本发明涉及真空技术及微观机械技术，具体地说是一种用于热导式真空计的微机械真空传感器。

背景技术

热导式真空计是一种放置于待测环境中，并通过合适的方法量测一个可控热源和待测环境之间热传导率，从而间接推算出待测环境的真空压力的一种传感器。其方法基于热源与周围环境的热导与环境的真空度存在一个量化的关系。采用这种原理的一种典型的真空传感器为皮拉尼真空计，监测一个被加热的电阻线(比如白金电阻线)的阻值变化。当环境为低真空时，电阻线传递给环境的热量比较多，加热以后的温升相对比较低，电阻值升高比较小；反之阻值升高比较大。另外，还有一种热偶式真空计，其原理和皮拉尼真空传感器类似，只是电阻丝被一个热电偶代替，温度的测量是通过测量电偶的电势。

热导式真空计因为结构简单，制作容易而在工业界被广泛应用于中低真空的测量中。然而，这类真空计具有如下的缺点：1、基本材料，如铂，因为会带来交叉污染问题而不能和现有的CMOS工艺兼容，因此不能方便地和现有CMOS电路工艺集成，从而带来成本降低的困难以及小型化的困难。2、无论是电阻式还是热电偶式，其输出的响应比较低。例如作为电阻式材料的铂，其材料的TCR(Temperature Coefficient of Resistance，电阻温度系数，一种衡量材料电阻随温度变化的参数)比较低，只有0.3％左右，这就意味着需要更加复杂、更加灵敏的放大电路来放大电阻变化的信号。3、无论是电阻式还是热电偶式，其需要的体积均比较大。以电阻式为例，其常见材料铂的体电阻比较低，要获得合适的阻值，必然需要比较长的电阻丝，从而带来较大的体积。上述类型真空计的这些缺点限制了其在传感器和集成电路集成程度较高的领域里的应用。

因此，一种具有高灵敏度，体积小，而且使用的材料和工艺能够兼容接口电路工艺(通常采用CMOS工艺)的真空计具有非常巨大的实用性。例如，现在广泛采用的微机械电子技术(MEMS)的传感器因为其工艺脱胎于传统的CMOS集成工艺，采用的是晶圆模式的集成生产工艺，具有体积小，一致性好，性能稳定，成本低廉的优势。如目前移动设备(如手机，PDA，玩具，照相机)以及汽车中采用的压力传感器，加速度传感器，角速度传感器(陀螺)均采用的是MEMS传感器。然而这些器件的封装工艺还是基于传统的封装形式，即在器件测试切割完毕以后对单个器件进行封装。显然，这种基于单个器件的封装模式和器件生产过程中的晶圆模式是相悖的，故造成了降低成本的瓶颈。

现代的封装技术的趋势是发展晶圆级(WLP)封装技术，即其封装工艺作为器件工艺有机的一部分，采用的是晶圆形式的工艺，封装完毕后即可以切割出货。这种方法无疑能够大大降低封装的成本，提高器件的一致性和可靠性，以及器件的小型化。然而，这种封装形式也带来了很多技术上的挑战，其中的挑战之一是如何将封装所需的在线检测单元集成入待封装的单元，比如真空封装所需要测试封装后腔室内气压的真空计，这就要求真空计具有非常小的尺寸，而且和主传感器的工艺兼容。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种微机械真空传感器，该传感器灵敏度高，体型小，并且与CMOS工艺兼容。

按照本发明的技术方案：一种微机械真空传感器，包括微桥面单元，所述微桥面单元相对的两端分别设置有与所述微桥面单元相连的第一导热桥臂及第二导热桥臂，所述第一导热桥臂的自由端通过第一连接桥墩与第一支撑点相连，所述第二导热桥臂的自由端通过第二连接桥墩与第二支撑点相连，所述第一支撑点及所述第二支撑点位于所述微桥面单元的下方并与所述微桥面单元之间存在间隙；所述微桥面单元的上表面上设置有电阻式温敏涂层，所述微桥面单元上表面的相对两侧分别设置有桥面电气连接走线，所述第一导热桥臂及所述第二导热桥臂上分别设置有与相应的所述桥面电气连接走线相连的桥臂电气连接走线，两条所述桥臂电气连接走线分别通过相应的连接桥墩延伸至相应的支撑点。

所述第一导热桥臂及所述第二导热桥臂与所述微桥面单元的连接点分别位于所述微桥面单元两端的对角位置。

所述间隙的尺寸为0.5-5微米。

所述微桥面单元为氮化硅衬底。

所述电阻式温敏涂层为金属钛/氮化钛、二氧化钒或者α-非晶硅。

所述桥面电气连接走线及所述桥臂电气连接走线分别为Ti或者NiCr合金。

测试真空时，先用一个小电流测出所述微桥面单元的原始电阻，再用合适的大电流测出所述微桥面单元的电阻值，利用上述两个电阻值的比率来计算真空值。

本发明的技术效果在于：本发明采用微桥结构，并采用温敏材料形成桥面电阻，通过测量桥面电阻推算环境的真空度，具有灵敏度高，体型小，以及和CMOS工艺兼容等显著优点。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为气体的热导率随气体的压强的变化图。

图3为制作本发明的工艺步骤图。

图4为使用本发明测量真空度的原理图。

图5为本发明的一个测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。

图1～图5中，包括第一支撑点1、第一连接桥墩2、第一导热桥臂3，桥臂电气连接走线4、桥面电气连接走线5、电阻式温敏涂层6、第二支撑点7、第二连接桥墩8、第二导热桥臂9、两侧10、微桥面单元11、间隙12、氮化硅薄膜13、金属连接图形14、牺牲层15、桥墩16、窗口17、导电温敏图形18、金属连接19、金属连接20、钝化层21、电阻22、电气连接点23、电气连接点24、***电路或者设备25、测试电流26、电压27等。

如图1所示，本发明是一种微机械真空传感器，包括微桥面单元11，微桥面单元11为氮化硅衬底。

微桥面单元11相对的两端分别设置有与微桥面单元11相连的第一导热桥臂3及第二导热桥臂9。第一导热桥臂3及第二导热桥臂9与微桥面单元11的连接点分别位于微桥面单元11两端的对角位置。第一导热桥臂3的自由端通过第一连接桥墩2与第一支撑点1相连；第二导热桥臂9的自由端通过第二连接桥墩8与第二支撑点7相连。第一支撑点1及第二支撑点7位于微桥面单元11的下方并与微桥面单元11之间存在间隙12，间隙12的尺寸为0.5-5微米，不同的间隙适用于不同的真空量测范围。第一支撑点1及第二支撑点7可以外接电气连接(图上未示)，连接至其测试电路。

微桥面单元11的上表面上设置有电阻式温敏涂层6，电阻式温敏涂层6采用具有极大TCR系数和极小低频电子噪声的材料，如金属钛/氮化钛、二氧化钒或者α-非晶硅。微桥面单元11上表面的相对两侧10分别设置有桥面电气连接走线5，第一导热桥臂3及第二导热桥臂9上分别设置有与相应的桥面电气连接走线5相连的桥臂电气连接走线4，两条桥臂电气连接走线4分别通过相应的连接桥墩延伸至相应的支撑点。桥面电气连接走线5及桥臂电气连接走线4分别为Ti或者NiCr合金。

本发明中的微桥面单元11结合电气连接就形成了一个桥面电阻。当微桥面单元11通过一定的电流，其在微单元电阻上形成一定的焦耳热功率，导致微单元的温度升高。发热的微单元的热量会以三个主要渠道散失，而最后稳定的温度就是电流产生的热量和通过这三个渠道散失的热量平衡以后的结果，其最后稳定的温度取决于这三个渠道的散热效率。这三个渠道为：1、热辐射散失；2、通过桥臂的热导散失；3、通过和下底面的间隙的热导散失。其中热辐射散失以及桥臂的热导散失是基本固定的，和环境的真空度无关，而通过下底面的热导散失和环境的真空度有关。

当本发明在真空度非常高的环境下(即气压非常小)，当桥面通过一定的电流时，在桥面形成一定的焦耳热，其通过和下底面间隙热导散失的热量非常小，导致桥面的温升比较高，从而导致桥面电阻的变化比较大。如果桥面温敏材料采用负温度系数的材料如非晶硅薄膜，其电阻呈现较大的降低，这种电阻的降低可以通过量测通过桥面的电流以及桥面电阻两端的电压降来获得。这样，通过量测最后的稳定温度，可以推算出环境的真空度。而稳定温度可以通过测量微单元的电阻来确定。此微桥结构的热导型真空计具有灵敏度高，体型小，以及和CMOS工艺兼容等显著优点，尤其适用于非制冷型远红外热辐射焦平面阵列的封装后的真空监测，因为其工艺制程与热辐射传感器的制程非常相近，可以在热辐射传感器工艺中集成热导型真空计，而无需增加任何其他工艺成本。

本发明的工作原理如下：

从气体动理论观点来看，温度的高低就是分子热运动平均动能的大小，热传导过程输送的宏观表现。可以用与黏性现象相似的方法分析热传导过程，并能得到气体的热导率K与微观量平均值v、λ等之间的关系

$K=\frac{1}{3}\mathrm{\ρv\λ}{c}_v$

式中c_v是气体***在等体过程中的比热。

上式表明，气体的热导率取决于气体的密度ρ，气体分子平均速率v、平均自由程λ以及气体的定体比热c_v。

气体的黏度η与分子微观量平均值v、λ等的关系

$\mathrm{\η}=\frac{1}{3}\mathrm{\ρv\λ}$

取决于***中气体的密度ρ，分子热运动的平均速率v，以及平均自由程λ，这些量是由气体自身性质和所处状态决定的。

上述两式比较得到

K＝ηc_v

因为c_v只决定于气体分子自身的性质，是常量，所以K的基本性质与η相似。

气体的黏度η在很宽的压强范围内都保持恒定，仅当压强很低时才表现出变化的趋势。在极低压强下，气体的黏度不再是恒定的，而是与压强成正比。这是因为在极低压强下分子的平均自由程变得很大了，超过了容器的限度时，分子的实际自由程被容器器壁，即本发明中桥面和下底面的间隙所限定，可以认为分子的平均自由程的最大值在本发明中就是桥面的间隙。这时ρ、v和λ三个决定气体黏度η的量中只有ρ与压强成正比，所以气体黏度η与压强成正比。所以通过量测气体的热导率就可以知道气体的压强。

图2描述计算出来的一个2μm的空气间隙的热导率对应不同气体压强的变化。从图中可以看出，空气的热导率随气体压强有一个比较线性的变化。

制作本发明的工艺步骤如图3所示，顺序为图3(a)-图3(e)，具体描述如下：

图3(a)：传感器的衬底为对掺杂浓度无要求的硅衬底，上面用PECVD(等离子增强的化学气相沉积)的方法在衬底上沉积一层厚度为

的氮化硅(SiNx)薄膜13，然后再沉积上一层金属用于制作金属连接。这层金属可以是但不限于Al，Ti/TiN，厚度为

。紧接着采用光刻+金属刻蚀的方法形成金属连接图形14。

图3(b)：先制作Polyimide涂层作为传感器的牺牲层15，厚度为1-3μm，视应用需要而定。这层牺牲层15的材料应该为耐高温材料，能够承受后续的高温工艺，如350℃的PECVD SiNx沉积工艺。然后在金属连接图形14上光刻刻蚀，形成碗状的桥墩16。紧接着沉积上一层PECVD SiNx用作本发明的微桥面，并在金属连接图形14上方开窗口17为之后的金属连接做准备。然后采用PECVD方法沉积上一层温敏材料如非晶硅，光刻刻蚀以形成所需要的导电温敏图形18。

图3(c)：器件上再沉积上一层金属如Ti，NiCr合金等热导系数比较小的材料。此金属刻蚀以后形成的图形起两个作用，一个是连接桥墩和桥墩下方的金属连接图形14的金属连接19，另一个是通过桥臂连接桥墩和导电温敏图形18的金属连接20。

图3(d)：器件上再沉积一层SiNx钝化层21起到保护器件的作用。

图3(e)：器件切割以后进行等离子体气相释放工艺，掏空全部的Polyimide牺牲层15，工艺完成，等待封装。

使用本发明进行真空度测量的方法如图4(a)所示，本发明等效于一个电阻22，其具有两个电气连接点23和24。测量真空时通过***电路或者设备25注入一个测试电流26，此电流在传感器电阻22上会形成焦耳功率从而导致传感器桥面的温升，同时导致传感器电阻值的变化，其变化可以通过测量传感器电气连接点23和24的电压27来实现。

为获得更为准确的测量结果，注入电流有两个值如图4(b)所示，分别为一个小电流Io和一个大电流I₁。注入小电流Io时，其在桥面上的焦耳功率比较小，桥面的温升也比较小，所以测量出来的电阻(通过计算器件两端的电压和电流比值)基本反映了器件的初始电阻，和待测真空无关。而注入大电流I₁时，桥面温升大，此时器件的电阻和待测真空度关系紧密。所以比较器件在大电流和小电流这两种情况下阻值变化能够消除器件初始电阻值偏差带来的测量误差，提高测量精度。

图5为制造出的一个器件的测试结果。此器件的初始电阻值为约80k-Ohm，测试电流为15μA。当真空压力降低时，电阻值呈下降的趋势。这是因为焦耳热导致器件桥面的温升加大，而器件使用的温敏材料具有负温度效应(材料表面电阻随温度的升高而降低)，导致电阻变小，在数百毫托(mTorr)的真空压力范围内呈现良好的线性。

Claims (7)

1.一种微机械真空传感器，其特征是：包括微桥面单元(11)，所述微桥面单元(11)相对的两端分别设置有与所述微桥面单元(11)相连的第一导热桥臂(3)及第二导热桥臂(9)，所述第一导热桥臂(3)的自由端通过第一连接桥墩(2)与第一支撑点(1)相连，所述第二导热桥臂(9)的自由端通过第二连接桥墩(8)与第二支撑点(7)相连，所述第一支撑点(1)及所述第二支撑点(7)位于所述微桥面单元(11)的下方并与所述微桥面单元(11)之间存在间隙(12)；所述微桥面单元(11)的上表面上设置有电阻式温敏涂层(6)，所述微桥面单元(11)上表面的相对两侧(10)分别设置有桥面电气连接走线(5)，所述第一导热桥臂(3)及所述第二导热桥臂(9)上分别设置有与相应的所述桥面电气连接走线(5)相连的桥臂电气连接走线(4)，两条所述桥臂电气连接走线(4)分别通过相应的连接桥墩延伸至相应的支撑点。

2.按照权利要求1所述的微机械真空传感器，其特征是：所述第一导热桥臂(3)及所述第二导热桥臂(9)与所述微桥面单元(11)的连接点分别位于所述微桥面单元(11)两端的对角位置。

3.按照权利要求1所述的微机械真空传感器，其特征是：所述间隙(12)的尺寸为0.5-5微米。

4.按照权利要求1所述的微机械真空传感器，其特征是：所述微桥面单元(11)为氮化硅衬底。

5.按照权利要求1所述的微机械真空传感器，其特征是：所述电阻式温敏涂层(6)为金属钛/氮化钛、二氧化钒或者α-非晶硅。

6.按照权利要求1所述的微机械真空传感器，其特征是：所述桥面电气连接走线(5)及所述桥臂电气连接走线(4)分别为Ti或者NiCr合金。

7.按照权利要求1所述的微机械真空传感器，其特征是：测试真空时，先用一个小电流测出所述微桥面单元(11)的原始电阻，再用合适的大电流测出所述微桥面单元(11)的电阻值，利用上述两个电阻值的比率来计算真空值。

Images