[发明专利]台阶阵列阴极真空微电子压力传感器

说明书

本发明属于传感器，特别是真空微电子压力传感器。

真空微电子压力传感器的主要结构由四部分组成。压力敏感器1作为阳极，采用金属膜或硅薄膜；阴极2采用场发射尖锥阵列；阳极与阴极之间相互绝缘，有绝缘层4和真空腔3(图1)见J.C.Jiang et al，Tramsducers 91、238-240。传感器的工作原理是：阳极相对于阴极施加正电压，在阴极表面形成加速电场。当敏感膜1受压变形时，阴阳极间距变化，阴极表面场强随之改变，从而导致阴极发射电流变化。当阴极表面电场足够强时，阴极的发射为场致发射，其发射电流密度对于场强变化非常敏感，而温度等因素的影响理论上可忽略不计。因而真空微电子压力传感器具有灵敏度高、温度稳定性好和抗辐射等优点。

本发明的目的是提出一种高灵敏度宽量程的台阶阴极真空微电子压力传感器。

本发明的重要特点是阴极呈即四周高，中间低的台阶状。

本发明通过将平面阵列阴极真空微电子压力传感器的结构改变为台阶阵列阴极真空微电子压力传感器，提高了传感器的灵敏度和量程。

附图1为平面阵列阴极真空微电子压力传感器示意图。图中1为阳极压力敏感膜，2为平面尖锥阵列阴极，3为真空腔，4为绝缘层。图2为台阶阵列阴极真空微电子压力传感器示意图。图中1为阳极压力敏感膜，2为尖锥阵列阴极，3为真空腔，4为绝缘层，5为凹进台阶。

下面结合附图详述本发明

为阐明台阶阵列阴极较之平面阵列阴极的优越性，先讨论一下影响真空微电子压力传感器灵敏度和量程的因素。

灵敏度主要由压力敏感膜的形变特性和阴极的发射特性决定。就敏感膜而言，膜越薄、面积越大，受压时越容易发生形变，灵敏度越高就阴极发射而言，电流密度越大，灵敏度越高。提高阳极电压、减小阴极曲率半径、缩小阴阳极间距有利于增加阴极表面的电场强度，从而提高发射电流密度，达到提高灵敏度的目的。

为了使传感器的灵敏度达到最佳，阳极敏感膜与阴极尖锥要尽量靠近，但又不得使二者接触短路。制约阴阳极间距的条件是：要保证传感器正常工作，阳极敏感膜的外力作用下发生形变时不得与阴极尖锥表面接触。由于阳极膜的形变大小取决于外加压力大小，因此传感器对压力的测量范围受到阴阳极间距的制约。

由以上分析不难看出，真空微电子压力传感器的阴阳极间距直接影响传感器的灵敏度和压力测量范围。在图1所示的真空微电子压力传感器中，减小阴阳极间距有利于提高传感器的灵敏度，但间距过小必然限制传感器的压力测量范围，即提高灵敏度与扩大量程是相矛盾的。为了解决这一矛盾，本专利提出了一种新型结构，如图2所示。新型传感器的阴极有一个台阶，发射尖锥分布在台阶上下，即所述阴极呈四周高中间低的台阶状。而图1中的发射尖锥是分布在同一平面上。

为了实现台阶阵列阴极压力传感器的最佳工作条件，须根据需要对传感器的结构进行合理设计，其中包括：(1)阳极压力敏感膜1受压时的变形量取决于敏感膜的材料、厚度和面积；(2)台阶的高度以及台阶框包围的面积与阴极阵列总面积的比例要根据阳极敏感膜变形程度来设计，一般台阶高度为1-20μm、凹进台阶的边长与阴极阵列外边长之比为1/4-3/4；(3)阴阳极之间的场强要足够强，使得阴极能够产生电子发射，场强大小主要取决于阴阳极所加的电压，阴阳极间距以及阴极尖锥的曲率半径。在压力敏感膜1与尖锥阵列阴极2之间是一真空腔，阳极压力敏感膜1与尖锥阵列阴极2封接处有一绝缘层4。

下面简述台阶阵列尖锥阴极制作工作。其制作工艺主要包括两部分：首先制作台阶，然后在台阶上下同时制作尖锥阵列，具体描述如下：

(1)清洗n<100>单晶硅片。

(2)热氧化生长SiO₂1000埃。

(3)低压化学气相沉积(LPCVD)生长Si₃N₄1000埃。

(4)光刻台阶框。

(5)反应离子刻蚀去除台阶框中的Si₃N₄。

(6)缓冲氢氟酸(BHF)去除台阶框中的SiO₂。

(7)去除光刻胶。

(8)对台阶框中的硅进行化学腐蚀出台阶。

(9)氢氟酸(HF)去除样品表面剩余的Si₃N₄和SiO₂。

(10)热氧化生长SiO₂1000埃。

(11)低压化学气相沉积(LPCVD)生长Si₃N₄1000埃。