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專利名稱：真空傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種傳感器，尤其是涉及一種基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術，利用硅尖陣列的場致發(fā)射原理來測量真空度大小的微型真空傳感器。
背景技術：
真空微電子器件是微電子技術、MEMS技術和真空電子學發(fā)展的產(chǎn)物，它是一種基于真空電子輸運器件的新技術，它主要由場致發(fā)射陣列陰極、陽極、兩電極之間的絕緣層和真空微腔組成。由于電子輸運是在真空中進行的，因此具有極快的開關速度、非常好的抗輻照能力和極佳的溫度特性。目前研究較多的真空微電子器件主要包括場發(fā)射顯示器、場發(fā)射照明器件、真空微電子毫米波器件、真空微電子傳感器等。
隨著真空微電子技術的飛速發(fā)展，真空微電子器件的廣泛應用，越來越多的微電子器件和微機械系統(tǒng)需要在真空環(huán)境下工作，而且對真空度的要求也越來越高。而現(xiàn)有的真空封裝技術會存在一定的殘余壓力，而且時間一長也會有密封失效的問題，然而封裝內(nèi)部的真空度又無法測量，因此將無法確保這些微電子器件和微機械系統(tǒng)是否在其設計的工作環(huán)境中工作。如果能將微型真空傳感器集成到這些微電子器件和微機械系統(tǒng)中，那么可以隨時監(jiān)控這些器件的工作環(huán)境的真空度，從而可以得知這些真空微電子器件和微機電系統(tǒng)是否在其最佳工作狀態(tài)，確保其可靠性。因此可以看出微型真空傳感器在真空微電子和微機械系統(tǒng)領域有著廣泛的應用前景，隨著MEMS技術的發(fā)展，其必將得到飛速的發(fā)展和廣泛的應用。
現(xiàn)有的微型真空傳感器主要有熱傳導式真空傳感器、薄膜式真空傳感器和諧振式真空傳感器等。
熱傳導式真空傳感器其工作原理是根據(jù)熱的物體向周圍空間散熱的損失與周圍氣體的壓力有關，通過測量該物體溫度的變化從而得出所處環(huán)境的真空度。1996年臺灣的Bruce.C.S.Chou等(Bruce C.S.Chou，Yeong-Maw Chen.A sensitive Pirani vacuum sensor and theelectrothermal SPICE modeling.Sensor and ActuatorsA，1996，53273-277)研制了一種高靈敏度的皮拉尼真空傳感器，其利用恒溫輸出電路和溫度補償技術有效地抑制了周圍的溫度漂移，使得其測量范圍得到了很大的拓展，達到(13.3～1.33)×10-5Pa。
薄膜式真空傳感器的工作原理是敏感薄膜與一個與之平行的電極組成平板電容，當外界真空度發(fā)生變化時，敏感薄膜就會感應并發(fā)生形變，從而使得平板電容的電容大小發(fā)生變化，通過測量這個電容的變化可計算出真空度的大小。1993年H.Hemni等(H.Hemmi，S.Shoji，K.Yosimi，and M.Esashi.Vacuum package for microresonators by glass-silicon anodic bonding，7thInternational Conference on Solid-State Sensor and Actuators，Trancsducers’93，Japan，1993584-587)研制的微型薄膜真空傳感器正是基于該原理，不過受當時技術所限，測量范圍相當有限。后來又有許多相關的研究在進行，浙江大學的王躍林和日本的M.Esashi等(王躍林，M.Esashi..新型力平衡微機械真空傳感器研究.真空科學與技術，1999，19(4)304-311)研制了一種力平衡式的薄膜微型真空傳感器，大大拓展了薄膜式微型真空計的測量范圍，而且極大地提高了其靈敏度。
諧振式真空傳感器的工作原理就是根據(jù)氣體分子的阻尼作用，在不同的真空度下振動物體的共振頻率不同，通過對頻率的變化的測量間接測量出真空度。1999年浙江大學的金心宇等(金心宇，張昱，周綺敏，等.硅微機械諧振傳感器穩(wěn)幅真空計的研究.儀表技術與傳感器，199914-16)研制了一種新型的硅微機械諧振真空傳感器，該硅微機械諧振真空傳感器是以在單晶硅片上通過各向異性腐蝕形成的懸臂梁作為諧振子，以懸臂梁自由端的質(zhì)量塊底面為上電極，以硅-硅直接鍵合的襯底硅片為下電極，組成靜電激勵器，而在懸臂梁的后部制作有壓阻器件，將懸臂梁的震動轉(zhuǎn)換為電阻信號輸出。
熱傳導式的真空傳感器受環(huán)境溫度的影響很大，因此其應用范圍大大受限；薄膜式的真空傳感器的關鍵部件密封腔受密封技術和密封失效問題的限制，應用范圍也相對受限；諧振式的真空傳感器其諧振梁的加工難度大，而且由于諧振頻率受環(huán)境溫度的影響也很大，其應用范圍也受到限制。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的微型真空傳感器所存在的上述缺點，提供一種具有原理簡單可行、受環(huán)境影響小、加工工藝成熟簡單易于集成等特點，應用范圍前景廣闊的真空傳感器。
本發(fā)明設有硅尖陣列發(fā)射陰極、金屬陽極、玻璃襯底、發(fā)射腔體和電極引線。金屬陽極濺射在玻璃襯底上，硅尖陣列發(fā)射陰極刻蝕在硅片上，刻蝕有硅尖陣列發(fā)射陰極的硅片與濺射有金屬陽極的玻璃襯底鍵合在一起形成發(fā)射腔體，1對電極引線分別接硅尖陣列發(fā)射陰極和金屬陽極，電極引線分別由硅片和陽極金屬引出外接穩(wěn)壓電源。
硅尖陣列發(fā)射陰極用于發(fā)射電子；金屬陽極用于收集從硅尖陣列發(fā)射陰極發(fā)射的電子。
本發(fā)明的基本工作原理是，利用真空微電子中場發(fā)射電流大小隨真空度變化的關系，將硅尖陣列作為電子發(fā)射源，金屬陽極作為電子收集器，在高壓電場的作用下，產(chǎn)生場發(fā)射電流，通過測量場發(fā)射電流的大小來間接測量真空度的大小。由于場發(fā)射現(xiàn)象的產(chǎn)生以及發(fā)射電流的大小與硅尖的尺寸和陰陽兩極間的極間距有關，可以通過硅微加工技術來提高硅尖陣列的一致性和得到較小的硅尖曲率半徑，以及可僅數(shù)微米的極間距，從而大大提高場發(fā)射的性能，能夠在較低的電場作用下發(fā)生場發(fā)射現(xiàn)象。


圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明實施例的硅尖陣列發(fā)射陰極結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為圖2的俯視放大圖。
圖4為圖2的軸視圖。
具體實施例方式
以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步的說明。
參見圖1和2，本發(fā)明實施例設有硅尖陣列發(fā)射陰極1、金屬陽極2、玻璃襯底3、發(fā)射腔體4和1對電極引線5。刻蝕有硅尖陣列發(fā)射陰極1的硅片通過陽極硅-玻鍵合與濺射有金屬陽極2的玻璃襯底3鍵合在一起，硅尖陣列發(fā)射陰極1與金屬陽極2之間不接觸形成發(fā)射腔體4，1對電極引線5分別從硅尖陣列發(fā)射陰極1和金屬陽極2引出與外圍電路連接。
將本發(fā)明的傳感部分(包括硅尖陣列發(fā)射陰極1、金屬陽極2、玻璃襯底3和發(fā)射腔體4)置入需要測量的真空環(huán)境中，然后由穩(wěn)壓電源提供電壓，通過1對電極引線5將電壓加到金屬陽極2和硅尖陣列發(fā)射陰極1兩端。當兩端場強達到一定強度時，將會發(fā)生場發(fā)射現(xiàn)象，由硅尖陣列發(fā)射陰極1發(fā)射出電子，電子在發(fā)射腔體4內(nèi)傳輸，最后由金屬陽極2收集，形成場發(fā)射電流，該發(fā)射電流的大小與本發(fā)明所在的環(huán)境的真空度大小有關，發(fā)射電流可通過電流計測量取得，通過計算就可得出真空度的大小。
權(quán)利要求
1.真空傳感器，其特征在于設有硅尖陣列發(fā)射陰極、金屬陽極、玻璃襯底、發(fā)射腔體和電極引線，金屬陽極濺射在玻璃襯底上，硅尖陣列發(fā)射陰極刻蝕在硅片上，刻蝕有硅尖陣列發(fā)射陰極的硅片與濺射有金屬陽極的玻璃襯底鍵合在一起形成發(fā)射腔體，1對電極引線分別接硅尖陣列發(fā)射陰極和金屬陽極，電極引線分別由硅片和陽極金屬引出外接穩(wěn)壓電源。
全文摘要
真空傳感器，涉及一種傳感器，尤其是涉及一種基于微機電系統(tǒng)(MEMS)技術，利用硅尖陣列的場致發(fā)射原理來測量真空度大小的微型真空傳感器。提供一種具有原理簡單可行、受環(huán)境影響小、加工工藝成熟簡單易于集成等特點，應用范圍前景廣闊的真空傳感器。設有硅尖陣列發(fā)射陰極、金屬陽極、玻璃襯底、發(fā)射腔體和電極引線。金屬陽極濺射在玻璃襯底上，硅尖陣列發(fā)射陰極刻蝕在硅片上，刻蝕有硅尖陣列發(fā)射陰極的硅片與濺射有金屬陽極的玻璃襯底鍵合在一起形成發(fā)射腔體，1對電極引線分別接硅尖陣列發(fā)射陰極和金屬陽極，電極引線分別由硅片和陽極金屬引出外接穩(wěn)壓電源。
文檔編號G01L21/00GK101034029SQ20071000860
公開日2007年9月12日 申請日期2007年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月8日
發(fā)明者孫道恒, 文尉任, 王凌云 申請人:廈門大學