一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 111141443 A(43)申请公布日 2020.05.12

(21)申请号 201911362566.8(22)申请日 2019.12.26

(71)申请人 兰州空间技术物理研究所

地址 730000 甘肃省兰州市城关区渭源路

97号(72)发明人 李刚　成永军　何申伟　孙雯君　

习振华　张瑞芳　杨利　(74)专利代理机构 北京理工大学专利中心

11120

代理人 温子云　仇蕾安(51)Int.Cl.

G01L 9/12(2006.01)G01L 21/00(2006.01)G01L 13/06(2006.01)

权利要求书1页 说明书2页 附图2页

(54)发明名称

一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计(57)摘要

本发明公开了一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计，基于MEMS技术，待测环境中气压的变化使感压薄膜产生位移，引起下基板电极与感压薄膜之间距离发生变化，从而改变了感压薄膜电极与下基板电极之间的电容值，通过测量电容值的大小即可得到待测环境的真空度，本发明能够显著降低真空计的尺寸和能耗，同时，通过根据测量需要使用不同参数的感压薄膜能够有效提高测量的灵敏度。

CN 111141443 ACN 111141443 A

权　利　要　求　书

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1.一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计，其特征在于，包括上基板(7)、下基板(8)、硅片(1)和玻璃密封管(4)；所述硅片(1)上具有感压薄膜(10)及电极引出孔A(5)；所述上基板(7)和下基板(8)的材料均为玻璃，所述下基板(8)的上表面镀有下基板电极(2)，所述上基板(7)上开设通气孔(9)、电极引出孔B(6)，所述通气孔(9)的位置与感压薄膜(10)的位置对准；所述下基板(8)电极通过电极引出孔A(5)和电极引出孔B(6)引出至上基板(7)的上表面；所述感压薄膜(10)的电极通过电极引出孔B(6)引出至上基板(7)的上表面；所述硅片(1)分别与上基板(7)的下表面和下基板(8)的上表面键合，所述玻璃密封管(4)密封扣合于所述通气孔(9)之上，使感压薄膜(4)与上基板(7)的通气孔(9)及下基板(9)的上表面之间形成密封的真空腔；

将所述真空计置于待测真空环境中，去除所述玻璃密封管(4)后，测量所述下基板(8)电极与感压薄膜(1)的电极间的电容值即可得到待测真空环境的真空度。

2.根据权利要求1所述的真空计，其特征在于，所述感压薄膜(1)为在所述硅片上采用浓硼掺杂方法刻蚀得到。

3.根据权利要求1所述的真空计，其特征在于，所述感压薄膜(1)的边长为5mm、厚度为16μm。

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CN 111141443 A

说　明　书

一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计

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技术领域

[0001]本发明属于真空测量技术领域，具体涉及一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计。背景技术

[0002]为了满足现场检验和空间探测需求，真空计的小型化研究取得了突飞猛进的进展。MEMS传感器具有小型化、低成本、高性能、易与CMOS集成电路兼容等特点。在不同类型的MEMS传感器中，最普遍、应用最广泛的是压阻式和电容式传感器，其中，与压阻式传感器相比，电容式传感器具有灵敏度高、温度系数低、功耗低等优点。MEMS电容薄膜真空计作为MEMS电容式传感器的一种,能够满足深空探测、空气动力学研究、临近空间探索等领域对真空测量仪器测量准确度高、体积小、质量轻、功耗低的应用需求，具有广泛的应用前景。但是，现有技术中的MEMS电容薄膜真空计主要存在尺寸和能耗较高、灵敏度较低等问题。发明内容

[0003]有鉴于此，本发明提供了一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计，能够实现具有较小尺寸、能耗较低且灵敏度较高的真空计。

[0004]本发明提供的一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计，包括上基板7、下基板8、硅片1和玻璃密封管4；所述硅片1上具有感压薄膜10及电极引出孔A5；所述上基板7和下基板8的材料均为玻璃，所述下基板8的上表面镀有下基板电极2，所述上基板7上开设通气孔9、电极引出孔B6，所述通气孔9的位置与感压薄膜10的位置对准；所述下基板8电极通过电极引出孔A5和电极引出孔B6引出至上基板7的上表面；所述感压薄膜10的电极通过电极引出孔B6引出至上基板7的上表面；所述硅片1分别与上基板7的下表面和下基板8的上表面键合，所述玻璃密封管4密封扣合于所述通气孔9之上，使感压薄膜4与上基板7的通气孔9及下基板9的上表面之间形成密封的真空腔；

[0005]将所述真空计置于待测真空环境中，去除所述玻璃密封管4后，测量所述下基板8电极与感压薄膜1的电极间的电容值即可得到待测真空环境的真空度。[0006]进一步地，所述感压薄膜1为在所述硅片上采用浓硼掺杂方法刻蚀得到。[0007]进一步地，所述感压薄膜1的边长为5mm、厚度为16μm。[0008]有益效果：

[0009]本发明基于MEMS技术，待测环境中气压的变化使感压薄膜产生位移，引起下基板电极与感压薄膜之间距离发生变化，从而改变了感压薄膜电极与下基板电极之间的电容值，通过测量电容值的大小即可得到待测环境的真空度，本发明能够显著降低真空计的尺寸和能耗，同时，通过根据测量需要使用不同参数的感压薄膜能够有效提高测量的灵敏度。附图说明

[0010]图1为本发明提供的一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计的结构示意图。[0011]图2为本发明提供的一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计的硅片结构示意图。

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CN 111141443 A[0012]

说　明　书

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图3为本发明提供的一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计的下基板结构示意图。

[0013]图4为本发明提供的一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计的上基板结构示意图。[0014]其中，1-硅片，2-下基板电极，3-引出电极，4-玻璃密封管，5-电极引出孔A，6-电极引出孔B，7-上基板，8-下基板，9-通气孔，10-感压薄膜，11-电极引线。具体实施方式

[0015]下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。[0016]本发明提供的一种基于MEMS技术的电容薄膜真空计，如图1所示，整体为三层结构，尺寸设计为10mm×10mm×10mm，包括上基板7、下基板8和硅片1，在硅片1上采用浓硼掺杂技术刻蚀出感压薄膜10，上基板7和下基板8的材料均为Pyrex玻璃，将硅片1与上、下基板进行单晶硅-玻璃键合，采用单侧电容结构，浓硼掺杂感压薄膜10与下基板上所镀电极组成一个平板电容，其内部空间为真空。下基板电极2的引出电极3以及感压薄膜10电极引线11均由上基板引出，上基板中间与感压薄膜对准的位置开设通气口9，同时，为了在大气环境下保护感压薄膜不被破坏，采用玻璃密封管4对进气口进行密封。[0017]测试时，将传感器置于待测真空环境中，打破玻璃密封管4，测量下基板电极2与感压薄膜的电极间的电容值即可得到待测真空环境的真空度。[0018]本发明中的硅片1，如图2所示，包括感压薄膜结构和支撑结构，尺寸为10mm×10mm×56μm，其中，感压薄膜为浓硼掺杂P++Si，尺寸为5mm×5mm×16μm，上下空腔深度均为20μm。感压薄膜电极引线在单晶硅上采用浓硼掺杂技术实现。同时，硅片1结构上开有电极引出孔A5用于引出下基板电极2引线。[0019]本发明中的下基板，如图3所示，包括下基板和下基板电极2两部分，尺寸为10mm×10mm×5mm，其中，下基板采用Pyrex玻璃制作，下基板电极2为Ti+Au，厚度为300nm。[0020]本发明中的上基板，如图4所示，上基板采用Pyrex玻璃制作，尺寸为10mm×10mm×5mm，上基板上开设电极引出孔B6及通气孔9。[0021]为了获得最优化的感压薄膜设计参数，采用正交优化法对薄膜边长和厚度进行组合分析，本发明关注的关键参数包括：最大挠度1000Pa、基础电容、灵敏度和最大应力。[0022]此外，工艺难度和产品的鲁棒性也是设计过程中必须考虑的关键因素。仿真试验结果表明：对于各种边长的薄膜，其最大挠度、灵敏度和最大应力均随厚度增大而降低，基础电容则呈现相反的变化规律，这是由于基础电容与最大挠度成反比。增大薄膜厚度可以降低工艺难度并提高传感器的可靠性，但同时导致灵敏度下降；为了改善灵敏度，可以增大薄膜的边长，但是边长的增大又会增大工艺难度。因此，必须对薄膜的尺寸进行合理优化。边长较小时，如2mm，灵敏度太低≤0.2fF/Pa；边长增大至6mm时，在较大厚度20μm下也可以获得很高的灵敏度2fF/Pa。因此，在工艺条件允许的情况下，应当尽量增大薄膜的边长。基于上述考虑，将薄膜边长设计为5mm，厚度设计为16μm。在此设计参数下，薄膜在1000Pa压力下最大挠度为14μm，最大应力为2.70E+07Pa，最小灵敏度为2.2fF/Pa。[0023]综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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CN 111141443 A

说　明　书　附　图

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图1

图2

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CN 111141443 A

说　明　书　附　图

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图3

图4

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