專利名稱：敏感膜—陰極復(fù)合型壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓力傳感器，特別是真空微電子壓力傳感器。
真空微電子(VME)壓力傳感器最早于1991年第六屆固態(tài)敏感器和執(zhí)行器國際會(huì)議(TRANSDUCERS’91)上提出。其結(jié)構(gòu)主要由四部分組成，如圖1所示(1)壓力敏感膜作為陽極，采用金屬膜或硅薄膜；(2)陰極，大多采用場(chǎng)發(fā)射尖錐陣列；(3)陰陽極之間的絕緣層；(4)陰陽極之間的真空微腔。傳感器工作原理是陽極相對(duì)于陰極施加正電壓，在陰極表面形成電場(chǎng)，使陰極產(chǎn)生電子發(fā)射。當(dāng)敏感膜受壓變形時(shí)，陰陽極間距變化，陰極表面場(chǎng)強(qiáng)隨之改變，從而導(dǎo)致陰極發(fā)射電流變化。當(dāng)陰極表面電場(chǎng)很強(qiáng)時(shí)，陰極的發(fā)射為場(chǎng)致發(fā)射，其發(fā)射電流密度對(duì)于場(chǎng)強(qiáng)變化非常敏感，而溫度等因素的影響理論上可忽略不計(jì)。因而真空微電子壓力傳感器具有靈敏度高、抗輻照和溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。近年來關(guān)于真空微電子壓力傳感器的研究不斷深入。例如在陰極結(jié)構(gòu)和材料方面，采用金剛石等場(chǎng)發(fā)射膜取代陣列陰極、或在陣列尖錐陰極表面鍍膜以改善陰極發(fā)射性能。本發(fā)明人于1996年提出采用“臺(tái)階陰極”取代“平面陰極”以提高傳感器靈敏度、擴(kuò)展量程、改善輸出信號(hào)線性，并于1997年10月提出微腔充氣型真空微電子壓力傳感器以緩解由于傳感器真空腔內(nèi)、外壓強(qiáng)差過大而引起的壓力敏感膜空載變形問題。普通真空微電子壓力傳感器一般將壓力敏感膜作為陽極，陰極采用場(chǎng)發(fā)射陣列或電子發(fā)射膜。為了保證傳感器工作在最佳狀態(tài)，要求壓力敏感膜與場(chǎng)發(fā)射陰極對(duì)準(zhǔn)。由于真空微電子傳感器屬于微結(jié)構(gòu)傳感器，陰、陽極尺寸很小(一般為幾百微米)，因此傳感器封裝時(shí)場(chǎng)發(fā)射陰極與壓力敏感膜的對(duì)準(zhǔn)精度一般應(yīng)控制在幾微米以內(nèi)。這樣高的對(duì)準(zhǔn)精度往往要借助于顯微鏡才能實(shí)現(xiàn)，因而常常要求封裝系統(tǒng)帶有高精度的對(duì)準(zhǔn)裝置。
本發(fā)明的目的是改變傳感器的結(jié)構(gòu)，使得傳感器真空封裝時(shí)陰、陽極對(duì)準(zhǔn)工藝大為簡(jiǎn)化。
本發(fā)明的主要特點(diǎn)是將場(chǎng)發(fā)射陰極23制作在壓力敏感膜22上成為一體。
本發(fā)明使得傳感器封裝時(shí)只需使陰極圖形與陽極電極引線相對(duì)應(yīng)，對(duì)準(zhǔn)精度可為幾十微米至幾百微米，大大降低了對(duì)準(zhǔn)精度要求，簡(jiǎn)化了封裝工藝，對(duì)于提高傳感器封裝成功率、實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)有重要意義。


圖1是現(xiàn)有技術(shù)真空微電子壓力傳感器原理圖。
圖中11—陰極場(chǎng)發(fā)射陣列 12—陽極壓力敏感膜 13—真空腔 14—絕緣層圖2是本發(fā)明原理圖。圖2A是使用電子發(fā)射膜陰極的真空微電子壓力傳感器的原理圖。圖2B是使用尖錐陣列陰極的真空微電子壓力傳感器。
圖中21—陽極 22—壓力敏感膜 23—陰極電子發(fā)射膜(陰極場(chǎng)發(fā)射陣列)24—真空腔 25—絕緣層 26—惰性氣體下面結(jié)合附圖詳述本發(fā)明。
普通真空微電子壓力傳感器一般將壓力敏感膜作為陽極，陰極采用場(chǎng)發(fā)射陣列或電子發(fā)射膜。為了保證傳感器工作在最佳狀態(tài)，要求壓力敏感膜與場(chǎng)發(fā)射陰極對(duì)準(zhǔn)。由于真空微電子傳感器屬于微結(jié)構(gòu)傳感器，陰、陽極尺寸很小(一般為幾百微米)，因此傳感器封裝時(shí)場(chǎng)發(fā)射陰極與壓力敏感膜的對(duì)準(zhǔn)精度一般應(yīng)控制在幾微米以內(nèi)。這樣高的對(duì)準(zhǔn)精度往往要借助于顯微鏡才能實(shí)現(xiàn)，因而常常要求封裝系統(tǒng)帶有高精度的對(duì)準(zhǔn)裝置。
本發(fā)明提出“敏感膜—陰極復(fù)合型”真空微電子壓力傳感器，如圖2所示，其特點(diǎn)是將場(chǎng)發(fā)射陰極(電子發(fā)射膜或場(chǎng)發(fā)射尖錐陣列)制作在壓力敏感膜上，即敏感膜與場(chǎng)發(fā)射陰極合為一體；陽極上不需再加工壓力敏感膜，只制作電極引線。由于場(chǎng)發(fā)射陰極被制作在壓力敏感膜上，兩者在光刻制作過程中已進(jìn)行了高精度對(duì)準(zhǔn)，傳感器封裝時(shí)不需再進(jìn)行陰極與敏感膜的對(duì)準(zhǔn)；陽極不再帶有敏感膜，只有電極引線，傳感器封裝時(shí)只需使陰極圖形與陽極電極引線相對(duì)應(yīng)，對(duì)準(zhǔn)精度可為幾十微米至幾百微米，大大降低了對(duì)準(zhǔn)精度要求，簡(jiǎn)化了封裝工藝，對(duì)于提高傳感器封裝成功率、實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)有重要意義。
圖1所示的普通真空微電子壓力傳感器與圖2所示的新型傳感器在制作工藝步驟上不同。普通傳感器制作工藝步驟一般為在不同的基片上分別制作場(chǎng)發(fā)射陰極和陽極壓力敏感膜，然后將分立的陰、陽極封裝在一起，要求場(chǎng)發(fā)射陰極與陽極壓力敏感膜對(duì)準(zhǔn)(精度控制在幾微米)，且陰、陽極之間的絕緣層要能夠承受傳感器的工作電壓。
“敏感膜—陰極復(fù)合型”真空微電子壓力傳感器的制作步驟是在一硅片上先采用腐蝕自停止方法制作壓力敏感膜，然后在壓力敏感膜上制作場(chǎng)發(fā)射陰極(電子發(fā)射膜或尖錐陣列)，另一作為陽極的基片除電極引線外不作其他加工，陰、陽極封裝時(shí)除保證絕緣層以外只需使陰極圖形與陽極電極引線對(duì)應(yīng)(對(duì)準(zhǔn)精度可為幾十微米至幾百微米)，大大降低了對(duì)準(zhǔn)精度要求，使封裝工藝操作不需采用顯微鏡對(duì)準(zhǔn)，完全避免了普通真空微電子壓力傳感器封裝時(shí)陰、陽極對(duì)準(zhǔn)精度要求高所帶來的種種麻煩。
以往真空微電子壓力傳感器制作過程中還存在著另一個(gè)值得注意的問題按照傳統(tǒng)真空器件的概念，真空微腔中真空度越高越好，所以一般希望陰、陽極之間的真空度在10-5Torr以上，而傳感器外部是大氣，真空微腔內(nèi)、外壓強(qiáng)差很大，當(dāng)壓力敏感膜很薄時(shí)會(huì)發(fā)生敏感膜空載變形，影響傳感器的靈敏度和量程。為解決這一問題，本專利提出在真空微腔內(nèi)充少量惰性氣體，充氣量大小和腔內(nèi)真空度高低根據(jù)敏感膜的形變特性而定，以保證敏感膜在沒有外加壓力的情況下不因真空微腔內(nèi)、外壓強(qiáng)差而產(chǎn)生很大的空載變形?！拔⑶怀錃狻钡膬?yōu)點(diǎn)如下(1)惰性氣體不會(huì)造成對(duì)陰極表面的污染，所以不會(huì)影響陰極的功函數(shù)及電子發(fā)射；(2)由于陰陽極間距很小，電子和氣體分子在各自的平均自由程內(nèi)相互碰撞的機(jī)率很小，與陰極發(fā)射的電流相比，碰撞而產(chǎn)生的離子流可忽略不計(jì)。(3)由于微腔內(nèi)充一定量氣體，減小了由于腔內(nèi)、外壓強(qiáng)差過大而引起的壓力敏感膜空載變形問題，對(duì)于提高傳感器靈敏度和擴(kuò)展傳感器量程有重要意義。
權(quán)利要求
1.敏感膜—陰極復(fù)合型壓力傳感器，其特征是陽極21、壓力敏感膜22、陰極電子發(fā)射膜23、絕緣層25構(gòu)成了壓力傳感器；所說的壓力敏感膜22和陰極電子發(fā)射膜23為一體。
2.按權(quán)利要求1所述的敏感膜—陰極復(fù)合型壓力傳感器，其特征是所說的陰極電子發(fā)射膜23可為尖錐陣列。
3.按權(quán)利要求1所述的敏感膜—陰極復(fù)合型壓力傳感器，其特征是真空腔24內(nèi)充有少量惰性氣體26。
全文摘要
敏感膜—陰極復(fù)合型壓力傳感器,由陽極21、壓力敏感膜22、陰極電子發(fā)射膜23、絕緣層25構(gòu)成了壓力傳感器;所說的壓力敏感膜22和陰極電子發(fā)射膜23為一體。本發(fā)明使得傳感器封裝時(shí)只需使陰極圖形與陽極電極引線相對(duì)應(yīng),對(duì)準(zhǔn)精度可為幾十微米至幾百微米,大大降低了封裝時(shí)陰、陽極對(duì)準(zhǔn)精度要求,簡(jiǎn)化了封裝工藝,對(duì)于提高傳感器封裝成功率、實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)有重要意義。
文檔編號(hào)G01L21/34GK1190736SQ9810088
公開日1998年8月19日 申請(qǐng)日期1998年3月4日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月4日
發(fā)明者夏善紅, 陶新昕 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院電子學(xué)研究所