微機械真空傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型涉及一種微機械真空傳感器，包括設(shè)置在微橋面單元兩端的第一導熱橋臂及第二導熱橋臂，第一導熱橋臂及第二導熱橋臂分別通過第一連接橋墩及第二連接橋墩與第一支撐點及第二支撐點相連，所述第一支撐點及所述第二支撐點位于微橋面單元的下方并與微橋面單元之間存在間隙；微橋面單元的上表面上設(shè)置有電阻式溫敏涂層，所述微橋面單元上表面的相對兩側(cè)分別設(shè)置有橋面電氣連接走線，第一導熱橋臂及第二導熱橋臂上分別設(shè)置有與相應(yīng)的橋面電氣連接走線相連的橋臂電氣連接走線，兩條橋臂電氣連接走線分別延伸至相應(yīng)的支撐點。本實用新型通過測量橋面電阻推算環(huán)境的真空度，具有靈敏度高、體型小以及和CMOS工藝兼容等顯著優(yōu)點。
【專利說明】微機械真空傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及真空技術(shù)及微觀機械技術(shù)，具體地說是一種用于熱導式真空計的微機械真空傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]熱導式真空計是一種放置于待測環(huán)境中，并通過合適的方法量測一個可控熱源和待測環(huán)境之間熱傳導率，從而間接推算出待測環(huán)境的真空壓力的一種傳感器。其方法基于熱源與周圍環(huán)境的熱導與環(huán)境的真空度存在一個量化的關(guān)系。采用這種原理的一種典型的真空傳感器為皮拉尼真空計，監(jiān)測一個被加熱的電阻線(比如白金電阻線)的阻值變化。當環(huán)境為低真空時，電阻線傳遞給環(huán)境的熱量比較多，加熱以后的溫升相對比較低，電阻值升高比較??；反之阻值升高比較大。另外，還有一種熱偶式真空計，其原理和皮拉尼真空傳感器類似，只是電阻絲被一個熱電偶代替，溫度的測量是通過測量電偶的電勢。
[0003]熱導式真空計因為結(jié)構(gòu)簡單，制作容易而在工業(yè)界被廣泛應(yīng)用于中低真空的測量中。然而，這類真空計具有如下的缺點:1、基本材料，如鉬，因為會帶來交叉污染問題而不能和現(xiàn)有的CMOS工藝兼容，因此不能方便地和現(xiàn)有CMOS電路工藝集成，從而帶來成本降低的困難以及小型化的困難。2、無論是電阻式還是熱電偶式，其輸出的響應(yīng)比較低。例如作為電阻式材料的鉬，其材料的TCR(Temperature Coefficient of Resistance,電阻溫度系數(shù)，一種衡量材料電阻隨溫度變化的參數(shù))比較低，只有0.3%左右，這就意味著需要更加復雜、更加靈敏的放大電路來放大電阻變化的信號。3、無論是電阻式還是熱電偶式，其需要的體積均比較大。以電阻式為例，其常見材料鉬的體電阻比較低，要獲得合適的阻值，必然需要比較長的電阻絲，從而帶來較大的體積。上述類型真空計的這些缺點限制了其在傳感器和集成電路集成程度較高的領(lǐng)域里的應(yīng)用。
[0004]因此，一種具有高靈敏度，體積小，而且使用的材料和工藝能夠兼容接口電路工藝(通常采用CMOS工藝)的真空計具有非常巨大的實用性。例如，現(xiàn)在廣泛采用的微機械電子技術(shù)(MEMS)的傳感器因為其工藝脫胎于傳統(tǒng)的CMOS集成工藝，采用的是晶圓模式的集成生產(chǎn)工藝，具有體積小，一致性好，性能穩(wěn)定，成本低廉的優(yōu)勢。如目前移動設(shè)備(如手機，PDA，玩具，照相機)以及汽車中采用的壓力傳感器，加速度傳感器，角速度傳感器(陀螺)均采用的是MEMS傳感器。然而這些器件的封裝工藝還是基于傳統(tǒng)的封裝形式，即在器件測試切割完畢以后對單個器件進行封裝。顯然，這種基于單個器件的封裝模式和器件生產(chǎn)過程中的晶圓模式是相悖的，故造成了降低成本的瓶頸。
[0005]現(xiàn)代的封裝技術(shù)的趨勢是發(fā)展晶圓級(WLP)封裝技術(shù)，即其封裝工藝作為器件工藝有機的一部分，采用的是晶圓形式的工藝，封裝完畢后即可以切割出貨。這種方法無疑能夠大大降低封裝的成本，提高器件的一致性和可靠性，以及器件的小型化。然而，這種封裝形式也帶來了很多技術(shù)上的挑戰(zhàn)，其中的挑戰(zhàn)之一是如何將封裝所需的在線檢測單元集成入待封裝的單元，比如真空封裝所需要測試封裝后腔室內(nèi)氣壓的真空計，這就要求真空計具有非常小的尺寸，而且和主傳感器的工藝兼容。實用新型內(nèi)容
[0006]本發(fā)明針對上述問題，提供一種微機械真空傳感器，該傳感器靈敏度高，體型小，并且與CMOS工藝兼容。
[0007]按照本發(fā)明的技術(shù)方案:一種微機械真空傳感器，包括微橋面單元，所述微橋面單元相對的兩端分別設(shè)置有與所述微橋面單元相連的第一導熱橋臂及第二導熱橋臂，所述第一導熱橋臂的自由端通過第一連接橋墩與第一支撐點相連，所述第二導熱橋臂的自由端通過第二連接橋墩與第二支撐點相連，所述第一支撐點及所述第二支撐點位于所述微橋面單元的下方并與所述微橋面單元之間存在間隙；所述微橋面單元的上表面上設(shè)置有電阻式溫敏涂層，所述微橋面單元上表面的相對兩側(cè)分別設(shè)置有橋面電氣連接走線，所述第一導熱橋臂及所述第二導熱橋臂上分別設(shè)置有與相應(yīng)的所述橋面電氣連接走線相連的橋臂電氣連接走線，兩條所述橋臂電氣連接走線分別通過相應(yīng)的連接橋墩延伸至相應(yīng)的支撐點。
[0008]所述第一導熱橋臂及所述第二導熱橋臂與所述微橋面單元的連接點分別位于所述微橋面單元兩端的對角位置。
[0009]所述間隙的尺寸為0.5-5微米。
[0010]所述微橋面單元為氮化硅襯底。
[0011]所述電阻式溫敏涂層為金屬鈦/氮化鈦、二氧化釩或者α-非晶硅。
[0012]所述橋面電氣連接走線及所述橋臂電氣連接走線分別為Ti或者NiCr合金。
[0013]測試真空時，先用一個小電流測出所述微橋面單元的原始電阻，再用合適的大電流測出所述微橋面單元的電阻值，利用上述兩個電阻值的比率來計算真空值。
[0014]本發(fā)明的技術(shù)效果在于:本發(fā)明采用微橋結(jié)構(gòu)，并采用溫敏材料形成橋面電阻，通過測量橋面電阻推算環(huán)境的真空度，具有靈敏度高，體型小，以及和CMOS工藝兼容等顯著優(yōu)點。
[0015]【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖2為氣體的熱導率隨氣體的壓強的變化圖。
[0018]圖3(a)-圖3(e)為制作本發(fā)明的工藝步驟圖。
[0019]圖4(a)、圖4(b)為使用本發(fā)明測量真空度的原理圖。
[0020]圖5為本發(fā)明的一個測試結(jié)果圖。
[0021]【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】作進一步的說明。
[0023]圖1?圖5中，包括第一支撐點1、第一連接橋墩2、第一導熱橋臂3,橋臂電氣連接走線4、橋面電氣連接走線5、電阻式溫敏涂層6、第二支撐點7、第二連接橋墩8、第二導熱橋臂9、兩側(cè)10、微橋面單元11、間隙12、氮化硅薄膜13、金屬連接圖形14、犧牲層15、橋墩16、窗口 17、導電溫敏圖形18、金屬連接19、金屬連接20、鈍化層21、電阻22、電氣連接點23、電氣連接點24、外圍電路或者設(shè)備25、測試電流26、電壓27等。
[0024]如圖1所示，本實用新型是一種微機械真空傳感器，包括微橋面單元11，微橋面單元11為氮化硅襯底。
[0025]微橋面單元11相對的兩端分別設(shè)置有與微橋面單元11相連的第一導熱橋臂3及第二導熱橋臂9。第一導熱橋臂3及第二導熱橋臂9與微橋面單元11的連接點分別位于微橋面單元11兩端的對角位置。第一導熱橋臂3的自由端通過第一連接橋墩2與第一支撐點I相連；第二導熱橋臂9的自由端通過第二連接橋墩8與第二支撐點7相連。第一支撐點I及第二支撐點7位于微橋面單元11的下方并與微橋面單元11之間存在間隙12，間隙12的尺寸為0.5-5微米，不同的間隙適用于不同的真空量測范圍。第一支撐點I及第二支撐點7可以外接電氣連接(圖上未示)，連接至其測試電路。[0026]微橋面單元11的上表面上設(shè)置有電阻式溫敏涂層6，電阻式溫敏涂層6采用具有極大TCR系數(shù)和極小低頻電子噪聲的材料，如金屬鈦/氮化鈦、二氧化釩或者α -非晶硅。微橋面單元11上表面的相對兩側(cè)10分別設(shè)置有橋面電氣連接走線5，第一導熱橋臂3及第二導熱橋臂9上分別設(shè)置有與相應(yīng)的橋面電氣連接走線5相連的橋臂電氣連接走線4，兩條橋臂電氣連接走線4分別通過相應(yīng)的連接橋墩延伸至相應(yīng)的支撐點。橋面電氣連接走線5及橋臂電氣連接走線4分別為Ti或者NiCr合金。
[0027]本實用新型中的微橋面單元11結(jié)合電氣連接就形成了一個橋面電阻。當微橋面單元11通過一定的電流，其在微單元電阻上形成一定的焦耳熱功率，導致微單元的溫度升高。發(fā)熱的微單元的熱量會以三個主要渠道散失，而最后穩(wěn)定的溫度就是電流產(chǎn)生的熱量和通過這三個渠道散失的熱量平衡以后的結(jié)果，其最后穩(wěn)定的溫度取決于這三個渠道的散熱效率。這三個渠道為:1、熱輻射散失；2、通過橋臂的熱導散失；3、通過和下底面的間隙的熱導散失。其中熱輻射散失以及橋臂的熱導散失是基本固定的，和環(huán)境的真空度無關(guān)，而通過下底面的熱導散失和環(huán)境的真空度有關(guān)。
[0028]當本實用新型在真空度非常高的環(huán)境下(即氣壓非常小)，當橋面通過一定的電流時，在橋面形成一定的焦耳熱，其通過和下底面間隙熱導散失的熱量非常小，導致橋面的溫升比較高，從而導致橋面電阻的變化比較大。如果橋面溫敏材料采用負溫度系數(shù)的材料如非晶硅薄膜，其電阻呈現(xiàn)較大的降低，這種電阻的降低可以通過量測通過橋面的電流以及橋面電阻兩端的電壓降來獲得。這樣，通過量測最后的穩(wěn)定溫度，可以推算出環(huán)境的真空度。而穩(wěn)定溫度可以通過測量微單元的電阻來確定。此微橋結(jié)構(gòu)的熱導型真空計具有靈敏度高，體型小，以及和CMOS工藝兼容等顯著優(yōu)點，尤其適用于非制冷型遠紅外熱輻射焦平面陣列的封裝后的真空監(jiān)測，因為其工藝制程與熱輻射傳感器的制程非常相近，可以在熱輻射傳感器工藝中集成熱導型真空計，而無需增加任何其他工藝成本。
[0029]本發(fā)明的工作原理如下:
[0030]從氣體動理論觀點來看，溫度的高低就是分子熱運動平均動能的大小，熱傳導過程輸送的宏觀表現(xiàn)?？梢杂门c黏性現(xiàn)象相似的方法分析熱傳導過程，并能得到氣體的熱導率K與微觀量平均值V、λ等之間的關(guān)系
[0031]K = -pvAcy
3
[0032]式中Cv是氣體系統(tǒng)在等體過程中的比熱。
[0033]上式表明，氣體的熱導率取決于氣體的密度P，氣體分子平均速率V、平均自由程入以及氣體的定體比熱cv。
[0034]氣體的黏度η與分子微觀量平均值V、λ等的關(guān)系
【權(quán)利要求】
1.一種微機械真空傳感器，其特征是:包括微橋面單元(11)，所述微橋面單元(11)相對的兩端分別設(shè)置有與所述微橋面單元(11)相連的第一導熱橋臂(3)及第二導熱橋臂(9)，所述第一導熱橋臂(3)的自由端通過第一連接橋墩(2)與第一支撐點(1)相連，所述第二導熱橋臂(9)的自由端通過第二連接橋墩(8)與第二支撐點(7)相連，所述第一支撐點(1)及所述第二支撐點(7)位于所述微橋面單元(11)的下方并與所述微橋面單元(11)之間存在間隙(12);所述微橋面單元(11)的上表面上設(shè)置有電阻式溫敏涂層(6)，所述微橋面單元(11)上表面的相對兩側(cè)(10)分別設(shè)置有橋面電氣連接走線(5)，所述第一導熱橋臂(3)及所述第二導熱橋臂(9)上分別設(shè)置有與相應(yīng)的所述橋面電氣連接走線(5)相連的橋臂電氣連接走線(4)，兩條所述橋臂電氣連接走線(4)分別通過相應(yīng)的連接橋墩延伸至相應(yīng)的支撐點。
2.按照權(quán)利要求1所述的微機械真空傳感器，其特征是:所述第一導熱橋臂(3)及所述第二導熱橋臂(9)與所述微橋面單元(11)的連接點分別位于所述微橋面單元(11)兩端的對角位置。
3.按照權(quán)利要求1所述的微機械真空傳感器，其特征是:所述間隙(12)的尺寸為0.5-5微米。
4.按照權(quán)利要求1所述的微機械真空傳感器，其特征是:所述微橋面單元(11)為氮化硅襯底。
5.按照權(quán)利要求1所述的微機械真空傳感器，其特征是:所述電阻式溫敏涂層(6)為金屬鈦/氮化鈦、二氧化釩或者α_非晶硅。
6.按照權(quán)利要求1所述的微機 械真空傳感器，其特征是:所述橋面電氣連接走線(5)及所述橋臂電氣連接走線(4)分別為Ti或者NiCr合金。
【文檔編號】G01L21/12GK203479456SQ201320441949
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年7月24日 優(yōu)先權(quán)日:2013年7月24日
【發(fā)明者】郭俊 申請人:無錫微奇科技有限公司