基于MEMS技术的电容式微型真空传感器(2)

3、真空传感器的MEMS工艺

　　根据仿真结果, 可得到满足要求的器件结构尺寸, 根据结构尺寸设计制作真空传感器的光刻掩模版。

　　制作真空传感器的工艺流程如图4所示。

图4 真空传感器制作的工艺流程

　　微型真空传感器的制作要用到的主要材料为双面抛光的P<100>硅片和机械特性与之相近的7740玻璃。硅片上的工艺: 标准清洗→氧化→光刻一面(Ⅰ、Ⅱ掩模版) →湿法腐蚀硅2 μm→腐蚀光刻一面的氧化层→扩散→去硼硅玻璃→光刻硅片另一面(Ⅲ、Ⅳ掩模版)。

　　玻璃上的工艺: 标准清洗→光刻( Ⅴ掩模版)→溅射金属→剥离→光刻( Ⅵ掩模版) →溅射金属→剥离→生长氮化硅→去除电极外的氮化硅。扩散后的硅片和做好金属电极的玻璃键合→湿法腐蚀→去除硅片表面二氧化硅→溅射金属→等离子刻蚀硼硅膜→划片→键合小片玻璃。以上是制作微型真空传感器的工艺流程, 根据这一工艺流程, 完成对微型真空传感器的制作( 图5) 。

图5 制作完成的真空传感器

4、测试

4.1、测试电路

　　由于电容微传感器的电容值很小, 而一般情况下寄生旁路电容比传感器本身的电容值大好几个数量级, 所以电容微传感器的性能经常受到寄生旁路电容引起的干扰和噪声的影响。采用前置电容放大器、相关双采样技术和增量调制器相结合的电容/电压转换器(CVC) 作为测试电路, 可有效地抑制各种噪声的影响, 能够获得较高的精度。电路的主要方框图如图6所示。

图6 测试电路主要方框图

4.2、测试结果

　　将微型真空传感器放在密封腔中,对密封腔抽真空, 其真空度可达到10^-4Pa。密封腔外一边连接抽真空设备, 另一边与电容测试电路连接, 测量微型真空传感器在不同真空度下输出的电压值。

　　经过测试, 试验数据如图7所示。

图7 真空度(τ) 与输出电压(V)的关系及其线性拟合曲线

　　根据图7中测量的数据, 可以得到该真空传感器的测量范围是5×10^-3~6×10^-2Pa, 在10^-2~10^-3Pa真空度与输出电压的关系曲线中, 可以看出随着真空度的增高, 输出电压值增大, 真空度越高电压变化越小。这是由于真空度越高, 真空传感器两个腔体之间的压力差越小, 传感器的硼硅膜变化越小;电容值变化越小, 电压变化越小。

　　图7中的直线是传感器的真空度和输出电压关系的线性拟合曲线。传感器的线性度是指传感器的实际特性曲线与拟合直线之间的最大偏差和满量程的百分比, 将其拟合值与实际值相比较, 在真空度为2.5×10^-2Pa 时, 两者的偏差最大值为2.29mV,即该真空传感器的线性度为

　　一般来说, 传感器的线性度越高, 传感器的线性范围就越宽, 量程就越大, 灵敏度也就越稳定。传感器的灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出变量对输入变量的比值, 该真空传感器的真空度与输出电压是非线性关系, 但其线性度较高, 灵敏度比较稳定, 性能良好。

5、结语

　　本文中所研究的电容式微型真空传感器是利用MEMS技术制作的微器件, 该器件用来测量真空度, 它具有体积小、灵敏度高和可批量制作等优点。电容式微型真空传感器的研究, 可以提高国内真空测量微型化的水平。由于电容式微型真空传感器的研制需要探索极限尺寸下(超薄膜和极小的极板间隙) 的MEMS工艺技术, 由此开发的工艺技术可以很容易用来开发各种用途的微型电容式传感器。

　　电容式微型真空传感器项目的研究成果, 具有产业化的潜力。电容式微型真空传感器与其他微型电容传感器的制作的加工方法和设备是一样的, 因而在产业化中很容易形成规模生产。微型电容传感器既可开发用于真空设备、航空航天装置等高精度测试所需的器件, 也可用于医疗、玩具这样一些普通精度的测量中, 其市场潜力巨大。