阅读说明：本技术 一种高灵敏度微型皮拉尼计 (High-sensitivity miniature Pirani gauge ) 是由 韩建强 任杨波 徐好 于 2020-06-17 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种基于正、负电阻温度系数的高灵敏度微型皮拉尼计的结构及制作方法,属于微电子机械系统领域。其结构特征在于微型皮拉尼计采用两个正电阻温度系数加热器(1)作为惠斯通全桥电路一对对边,两个负电阻温度系数加热器(2)作为另一对对边。微型皮拉尼计工作时,在惠斯通电桥的一对对边加载恒定直流电压,正电阻温度系数加热器(1)和负电阻温度系数加热器(2)温度升高,阻值分别增加和下降。腔体内真空度不同,阻值变化量不同,从惠斯通电桥另一对角输出的电压也相应发生改变,通过测量惠斯通电桥的输出电压可反映出封装腔体内的真空度。本发明所涉及的微型皮拉尼计有以下优点：测量灵敏度高,可检测的最小压力和漏率低。(The invention discloses a structure and a manufacturing method of a high-sensitivity micro Pirani gauge based on positive and negative resistance temperature coefficients, and belongs to the field of micro-electro-mechanical systems. The micro Pirani gauge is structurally characterized in that two positive resistance temperature coefficient heaters (1) are used as one pair of opposite sides of a Wheatstone full-bridge circuit, and two negative resistance temperature coefficient heaters (2) are used as the other pair of opposite sides. When the micro Pirani gauge works, constant direct current voltage is loaded on a pair of opposite sides of the Wheatstone bridge, the temperature of the positive resistance temperature coefficient heater (1) and the temperature of the negative resistance temperature coefficient heater (2) are increased, and the resistance values are respectively increased and decreased. The vacuum degree in the cavity is different, and the resistance variation is different, and the voltage of following another diagonal output of wheatstone bridge also changes correspondingly, can reflect the vacuum degree in the encapsulation cavity through measuring wheatstone bridge's output voltage. The micro Pirani gauge has the following advantages: the measuring sensitivity is high, and the detectable minimum pressure and the leak rate are low.)

一种高灵敏度微型皮拉尼计

技术领域

本发明涉及一种微型皮拉尼计，特别是一种基于正、负电阻温度系数的高灵敏度微型皮拉尼计的结构及制作方法，属于微电子机械系统(Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS)领域。

背景技术

很多MEMS器件都需要真空封装才能正常工作，如基于谐振结构的微陀螺仪、微加速度计、微生物分子质量检测仪等。采用真空封装可以降低机械运动部件运动时气体的阻尼，从而获得较高的品质因数和灵敏度。基于热传导原理的非制冷红外探测与成像仪、流量计、微型色谱仪等器件需要真空封装来延长自由粒子的分子平均自由程，从而提高器件的灵敏度。真空封装技术是影响这些MEMS器件性能参数的关键技术。

目前常用的MEMS器件真空度检测方法主要有氦气检漏仪、谐振器Q值检测法和微型皮拉尼计。其中氦气检漏仪价格很高，测试精度较低，不能对腔体内部的真空度变化进行实时在线检测。Q值检测法通过测量真空封装体内MEMS谐振器的Q值，利用公式反推封装腔内的真空度，但在高真空下测量误差较大，组成微谐振器的薄膜材料会因应力松弛使谐振器的谐振频率发生漂移。

皮拉尼计的工作原理：发热物体与周围空气的对流换热和腔体内的气体压强有关。当气体压强发生变化时，发热物体与周围空气的对流换热就会不同。与传统的基于灯丝的皮拉尼计相比，微型皮拉尼计具有体积小、功率低、热响应快、测量压力范围宽等优点。与谐振器相比，微型皮拉尼计具有更高的检测灵敏度。

为了提高检测压力范围上限，应尽量减小加热器和散热器之间的距离。为了降低动态范围下限，微型皮拉尼计应该具有较大的表面积，加热器应该具有高的电阻温度系数。制作加热器的材料有铂，镍，多晶硅，其电阻温度系数是正数。加热器作为惠斯登电桥的一个桥臂或者惠斯登电桥的一组对边，受薄膜材料电阻温度系数的限制，微型皮拉尼计的灵敏度难以进一步提高。

发明内容

本发明的目的在于发明一种高灵敏度微型皮拉尼计以检测真空封装腔体内的真空度。

为实现本发明的目的，所采用的技术方案是：微型皮拉尼计由两个正电阻温度系数加热器(1)、两个负电阻温度系数加热器(2)、结构层(3)、钝化层(4)、引线(5)、焊盘(6)和衬底(7)组成。正电阻温度系数加热器(1)、负电阻温度系数加热器(2)制作在结构层(3)上表面。结构层(3)悬浮在衬底(7)之上，二者之间存在气隙，正电阻温度系数加热器(1)和负电阻温度系数加热器(2)的热量通过该气隙中的气体热对流传导到作为散热器的衬底(7)。钝化层(4)淀积在正电阻温度系数加热器(1)、负电阻温度系数加热器(2)和结构层(3)上表面，防止正电阻温度系数加热器(1)、负电阻温度系数加热器(2)和引线(5)被腐蚀或者氧化。

本发明所涉及的高灵敏度微型皮拉尼计的检测机理：两个正电阻温度系数电阻(1)和两个负电阻温度系数电阻(2)构成一个惠斯通电桥，其中两个正电阻温度系数电阻(1)作为惠斯通电桥的一对对边桥臂，两个负电阻温度系数电阻(2)作为另一对对边桥臂。微型皮拉尼计工作时，在惠斯通电桥的一对对角加载恒定直流电压，电流流过正电阻温度系数电阻(1)和负电阻温度系数电阻(2)。正电阻温度系数电阻(1)和负电阻温度系数电阻(2)温度升高。正电阻温度系数电阻(1)电阻阻值升高，负电阻温度系数电阻(2)电阻阻值降低。腔体内真空度变化时，对流换热量随之变化，正电阻温度系数电阻(1)和负电阻温度系数电阻(2)的阻值产生变化，从惠斯通电桥的另一对对角的输出电压也相应发生改变。通过测量惠斯通电桥的输出电压可反映出封装腔体内的真空度。

本发明所涉及的基于正、负电阻温度系数的高灵敏度微型皮拉尼计通过以下基本工艺步骤制作：

1)原始材料为硅片。

2)在硅片表面制作牺牲层(8)。

3)制作结构层(3)。

4)在结构层(3)上制作正电阻温度系数加热器(1)。

5)在结构层(3)上制作负电阻温度系数加热器(2)。

6)溅射、光刻、腐蚀工艺相结合，制作引线(5)和金属焊盘(6)。

7)淀积钝化层(4)，光刻和刻蚀工艺相结合暴露金属焊盘(6)。

8)光刻和刻蚀工艺相结合制作腐蚀窗口(9)。

9)腐蚀牺牲层(8)，释放结构层(3)、钝化层(4)及制作在其上的正电阻温度系数加热器(1)、负电阻温度系数加热器(2)。

10)划片。

11)封装，焊接引线，连接外接电路，将两个正电阻温度系数加热器(1)作为惠斯通电桥的一对对边桥臂，将两个负电阻温度系数加热器(2)作为惠斯通电桥的另一对对边桥臂。

本发明所涉及基于正、负电阻温度系数的微型皮拉尼计结构及其制作方法的优点在于：具有较高的测量灵敏度，可检测真空腔室内较小的压力和漏率。

附图说明

图1为本发明所涉及的基于正、负电阻温度系数的高灵敏度微型皮拉尼计的结构示意图。

图2为本发明所涉及的基于正、负电阻温度系数的高灵敏度微型皮拉尼计沿图1中AA′视角的制作工艺流程图。

图3为本发明所涉及的基于正、负电阻温度系数的高灵敏度微型皮拉尼计的惠斯通电桥接线示意图。

附图中：

1-正电阻温度系数加热器 2-负电阻温度系数加热器 3-结构层

4-钝化层 5-引线 6-焊盘

7-衬底 8-牺牲层 9-腐蚀窗口

具体实施方式

下面结合附图2和实施例1对本发明做进一步说明，但并不局限于该实施例。

实施例1：利用本发明所提供的制作工艺步骤制作一种基于正、负电阻温度系数的高灵敏度微型皮拉尼计，其制作工艺步骤如下：

1)原始材料是(100)面硅片，热氧化，氧化层厚度0.2微米。(见附图2[1])

2)低压化学气相沉积法淀积厚度1微米的多晶硅薄膜作为牺牲层(8)。(见附图2[2])

3)低压化学气相沉积法沉积厚度为0.6微米的二氧化硅薄膜和0.3微米的氮化硅薄膜作为结构层(3)。(见附图2[3])

4)在结构层(3)上光刻正电阻温度系数加热器(1)图形，溅射50nm铬作为粘附层，溅射300nm铂，剥离工艺制作正电阻温度系数加热器(1)。(见附图2[4])

5)在结构层(3)上光刻负电阻温度系数加热器(2)图形，溅射300nm氮化坦作为负电阻温度系数电阻材料，剥离工艺制作负电阻温度系数加热器(2)。(见附图2[5])

6)光刻引线(5)和焊盘(6)图形，溅射50nm铬和200nm金，剥离工艺制作引线(5)和焊盘(6)。(见附图2[6])

7)等离子体增强化学的气相沉积法淀积0.6微米氮化硅作为钝化层(4)，光刻焊盘(6)图形，感应耦合等离子刻蚀暴露出焊盘(6)。(见附图2[7])

8)光刻腐蚀窗口(9)图形，感应耦合等离子干法刻蚀钝化层(4)薄膜和结构层(3)薄膜，形成腐蚀窗口(9)。(见附图2[8])

9)用TMAH溶液腐蚀多晶硅牺牲层(8)，释放结构层(3)和钝化层(4)。(见附图2[9])

10)划片。

11)真空封装并焊接外接电路。将两个正电阻温度系数加热器(1)作为惠斯通电桥的一对对边桥臂，将两个负电阻温度系数加热器(2)作为惠斯通电桥的另一对对边桥臂。(见附图3)

显然，上述说明并非是本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。