引言

　　真空測量就是真空度的測量, 用以探測低壓空間稀薄氣體壓力所用的儀器稱為真空計(jì)。真空計(jì)種類繁多, 工作原理各異, 除極少數(shù)幾種是直接測量壓力外, 其他幾乎都是間接測量壓力。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展, 傳統(tǒng)的真空計(jì)在某些特定領(lǐng)域很難滿足測量要求, 如今真空計(jì)正向小型化、一體化、集成化、系統(tǒng)化和智能化的方向發(fā)展。

　　微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)是微電子技術(shù)與機(jī)械、光學(xué)技術(shù)結(jié)合而產(chǎn)生的, 是20世紀(jì)90年代初興起的新技術(shù), 是微電子技術(shù)應(yīng)用的又一次革命性突破。近年來, 隨著MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展,MEMS在真空計(jì)領(lǐng)域的應(yīng)用也有了很大的發(fā)展。在各種新型的真空計(jì)中, 以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的真空微傳感器滿足了真空計(jì)發(fā)展趨勢的要求, 因此真空微傳感器逐漸受到了人們的關(guān)注。與壓力、溫度、加速度、氣體等微傳感器相比, 對真空微傳感器的研究比較少。真空微傳感器是用來測量真空度的, 真空度的測量就是壓力的測量, 人們常常用壓力微傳感器來制作真空微傳感器。利用MEMS制作的微機(jī)械真空傳感器主要有壓阻式和壓容式, 它們具有體積小巧、加工精度高、可靠性強(qiáng)、耐氧化、成本低廉、易于大批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。

　　本文介紹了一種以MEMS技術(shù)為基礎(chǔ)的電容式硅微真空傳感器, 該傳感器主要采用p++硅自停止腐蝕技術(shù)和硅-玻璃鍵合技術(shù)制作, 具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等特點(diǎn)。

1、真空傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1、真空傳感器的結(jié)構(gòu)原理

　　平板電容的表達(dá)式為

C=εA/d

　　式中: ε是兩極板之間的介電常數(shù); d為兩極板之間的距離; A為兩極板互相覆蓋的有效面積。當(dāng)ε、d、A變化時(shí), 都會引起電容的變化。電容式傳感器主要是利用硅膜片在壓力的作用下產(chǎn)生變形,使得兩極板之間的距離發(fā)生變化, 從而使電容產(chǎn)生變化, 以此作為測量的基礎(chǔ)。電容式微型真空傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1(a)所示。傳感器由玻璃襯底、下電極、絕緣層、硅膜片( 上電極) 、上層密封用的玻璃組成, 其中下電極濺射在玻璃襯底上, 電極上生長一絕緣層; 硅膜是利用硅片的雙面光刻、擴(kuò)散和各向異性腐蝕技術(shù)形成的。該電容式真空傳感器有兩個(gè)腔體, 其中上面的腔體是一個(gè)真空腔, 下面的腔體是鍵合形成的, 這個(gè)腔體不是密封的, 腔內(nèi)氣體與外界氣體相通。電容器的兩平板間的距離可由硅片腐蝕的深度控制, 硅膜片與玻璃電極之間的間隙很小, 這也是硅電容式傳感器靈敏度高的原因。

(a)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖(b)傳感器在壓力作用下硼硅膜形變示意圖

圖1電容式微型真空傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

1.2、真空傳感器的工作原理

　　真空度是指低于大氣壓力的氣體的稀薄程度,通常以壓力來表示真空度, 壓力高意味著真空度低, 壓力低意味著真空度高。由于真空傳感器上面的腔體是真空腔體, 在大氣壓力下, 作為傳感器敏感元件的硅膜片在壓力的作用下會向上鼓起, 如圖1(b)所示。當(dāng)真空傳感器下面腔體內(nèi)的真空度不同時(shí), 硅膜片向上鼓起的程度就不同, 硅膜片向上鼓起使得電容兩極板之間的距離發(fā)生變化,根據(jù)平板電容的公式可知電容也隨之發(fā)生變化, 真空度與電容值是一一對應(yīng)的, 電容值隨著真空度的變化而變化。由于電容值與真空度的關(guān)系, 電容值的變化通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓或頻率信號, 檢測電壓或頻率信號可以得到對應(yīng)的真空度。

2、真空傳感器傳感元的特性及仿真分析

　　在真空傳感器的制作中, 選擇硼硅膜作為傳感器的傳感元, 這是由硼硅膜制作簡單、安全和良好的機(jī)械特性決定的。作為真空傳感器的傳感元, 硼硅膜是真空傳感器的核心部分。近年來, 用P+膜制造微傳感器和微器件, 已經(jīng)成為各大企業(yè)和某些高校熱切研究的主題, 并被作為電容式壓力傳感器的薄膜、加速度傳感器中的懸臂梁、測量流速時(shí)的橋、篩漏的小孔以及微型馬達(dá)部件等, 廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。此外, P+膜可以在各種硅的腐蝕液中達(dá)到自停止, 可以作為固態(tài)壓力傳感器和SOI結(jié)構(gòu)器件等硅薄膜的腐蝕邊界。由于其腐蝕精度高, 腐蝕面平整而被廣泛采用。利用BN摻雜劑在硅表面摻雜硼, 作為硅腐蝕的自停止表面, BN摻雜源易于控制濃度( 能夠提供期望得到的B的濃度) , 再加上其使用安全、方便, 因此具有很高的使用價(jià)值。在壓力作用下, 硼硅膜會發(fā)生形變, 如圖2所示。

圖2 SiB膜及其在壓力下的形變

　　假設(shè)硼硅膜在Z軸方向上的變形量w>>h (硼硅膜的厚度), 采用大撓度理論對硼硅膜進(jìn)行分析,誤差較小。分析可得到在硼硅膜上任意一點(diǎn)(x, y)處的撓度, 則

　　式中: E是硼硅膜的楊氏模量; ν是泊松比; a是方形電極邊長的一半。此時(shí), 電容值

　　因此, 在不同的壓力作用下, 方形硼硅膜的變形量是不一樣的, 從而對應(yīng)不同的電容值。利用ANSYS軟件對硼硅膜的變形情況進(jìn)行模擬仿真, 研究在不同的壓力下, 方形硼硅膜的變形情況。外界壓力分別是10^-3、10²Pa 時(shí)利用ANSYS仿真的方形硼硅膜的變形情況如圖3 所示。由圖3 可以看到,當(dāng)壓力不同時(shí), 顏色帶的位置是不同的。壓力越大,硼硅膜的變形量就越大; 在同一壓力下, 硼硅膜中心位置的變形量最大。

圖3 外界壓力分別為10^-3、10²Pa 時(shí)對應(yīng)的硼硅膜的變形示意圖