[发明专利]微机械真空传感器

说明书

技术领域

本发明涉及真空技术及微观机械技术，具体地说是一种用于热导式真空计的微机械真空传感器。

背景技术

热导式真空计是一种放置于待测环境中，并通过合适的方法量测一个可控热源和待测环境之间热传导率，从而间接推算出待测环境的真空压力的一种传感器。其方法基于热源与周围环境的热导与环境的真空度存在一个量化的关系。采用这种原理的一种典型的真空传感器为皮拉尼真空计，监测一个被加热的电阻线(比如白金电阻线)的阻值变化。当环境为低真空时，电阻线传递给环境的热量比较多，加热以后的温升相对比较低，电阻值升高比较小；反之阻值升高比较大。另外，还有一种热偶式真空计，其原理和皮拉尼真空传感器类似，只是电阻丝被一个热电偶代替，温度的测量是通过测量电偶的电势。

热导式真空计因为结构简单，制作容易而在工业界被广泛应用于中低真空的测量中。然而，这类真空计具有如下的缺点：1、基本材料，如铂，因为会带来交叉污染问题而不能和现有的CMOS工艺兼容，因此不能方便地和现有CMOS电路工艺集成，从而带来成本降低的困难以及小型化的困难。2、无论是电阻式还是热电偶式，其输出的响应比较低。例如作为电阻式材料的铂，其材料的TCR(Temperature Coefficient of Resistance，电阻温度系数，一种衡量材料电阻随温度变化的参数)比较低，只有0.3％左右，这就意味着需要更加复杂、更加灵敏的放大电路来放大电阻变化的信号。3、无论是电阻式还是热电偶式，其需要的体积均比较大。以电阻式为例，其常见材料铂的体电阻比较低，要获得合适的阻值，必然需要比较长的电阻丝，从而带来较大的体积。上述类型真空计的这些缺点限制了其在传感器和集成电路集成程度较高的领域里的应用。

因此，一种具有高灵敏度，体积小，而且使用的材料和工艺能够兼容接口电路工艺(通常采用CMOS工艺)的真空计具有非常巨大的实用性。例如，现在广泛采用的微机械电子技术(MEMS)的传感器因为其工艺脱胎于传统的CMOS集成工艺，采用的是晶圆模式的集成生产工艺，具有体积小，一致性好，性能稳定，成本低廉的优势。如目前移动设备(如手机，PDA，玩具，照相机)以及汽车中采用的压力传感器，加速度传感器，角速度传感器(陀螺)均采用的是MEMS传感器。然而这些器件的封装工艺还是基于传统的封装形式，即在器件测试切割完毕以后对单个器件进行封装。显然，这种基于单个器件的封装模式和器件生产过程中的晶圆模式是相悖的，故造成了降低成本的瓶颈。

现代的封装技术的趋势是发展晶圆级(WLP)封装技术，即其封装工艺作为器件工艺有机的一部分，采用的是晶圆形式的工艺，封装完毕后即可以切割出货。这种方法无疑能够大大降低封装的成本，提高器件的一致性和可靠性，以及器件的小型化。然而，这种封装形式也带来了很多技术上的挑战，其中的挑战之一是如何将封装所需的在线检测单元集成入待封装的单元，比如真空封装所需要测试封装后腔室内气压的真空计，这就要求真空计具有非常小的尺寸，而且和主传感器的工艺兼容。

发明内容

本发明针对上述问题，提供一种微机械真空传感器，该传感器灵敏度高，体型小，并且与CMOS工艺兼容。

按照本发明的技术方案：一种微机械真空传感器，包括微桥面单元，所述微桥面单元相对的两端分别设置有与所述微桥面单元相连的第一导热桥臂及第二导热桥臂，所述第一导热桥臂的自由端通过第一连接桥墩与第一支撑点相连，所述第二导热桥臂的自由端通过第二连接桥墩与第二支撑点相连，所述第一支撑点及所述第二支撑点位于所述微桥面单元的下方并与所述微桥面单元之间存在间隙；所述微桥面单元的上表面上设置有电阻式温敏涂层，所述微桥面单元上表面的相对两侧分别设置有桥面电气连接走线，所述第一导热桥臂及所述第二导热桥臂上分别设置有与相应的所述桥面电气连接走线相连的桥臂电气连接走线，两条所述桥臂电气连接走线分别通过相应的连接桥墩延伸至相应的支撑点。

所述第一导热桥臂及所述第二导热桥臂与所述微桥面单元的连接点分别位于所述微桥面单元两端的对角位置。

所述间隙的尺寸为0.5-5微米。

所述微桥面单元为氮化硅衬底。

所述电阻式温敏涂层为金属钛/氮化钛、二氧化钒或者α-非晶硅。

所述桥面电气连接走线及所述桥臂电气连接走线分别为Ti或者NiCr合金。

测试真空时，先用一个小电流测出所述微桥面单元的原始电阻，再用合适的大电流测出所述微桥面单元的电阻值，利用上述两个电阻值的比率来计算真空值。