一種soi微型皮拉尼計(jì)及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種微型皮拉尼計(jì)，屬于微機(jī)電系統(tǒng)封裝的真空度檢測(cè)領(lǐng)域。該皮拉尼計(jì)的硅結(jié)構(gòu)在器件層8上制作，主要包括加熱和散熱兩部分結(jié)構(gòu)；加熱結(jié)構(gòu)由兩根呈周期梯形彎曲的加熱體5組成；所述散熱結(jié)構(gòu)由三部分組成：側(cè)面兩個(gè)相互對(duì)稱的兩側(cè)散熱體2和一個(gè)中間散熱體梳齒3；兩側(cè)散熱體梳齒2、中間散熱體梳齒3分別與加熱體5相互咬合。有益效果：加熱體與錨點(diǎn)有四個(gè)連接點(diǎn)，與相同長(zhǎng)度的加熱體相比，增強(qiáng)了其機(jī)械強(qiáng)度；工藝過(guò)程中不存在鍵合、淀積等工藝，避免了加熱體由于熱膨脹導(dǎo)致的塌陷、折斷等問(wèn)題；散熱體除了器件層的結(jié)構(gòu)外，基底同時(shí)也作為散熱體，且加熱體與豎直方向夾角為（2±1）°，有利于散熱，從而縮短了皮拉尼計(jì)的響應(yīng)時(shí)間。
【專利說(shuō)明】一種SOI微型皮拉尼計(jì)及其制作方法
一、【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微型皮拉尼計(jì)，屬于微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)封裝的真空度檢測(cè)領(lǐng)域。
二、【背景技術(shù)】
[0002]微機(jī)電系統(tǒng)(以下簡(jiǎn)稱MEMS)技術(shù)是一種新興的多學(xué)科交叉的高科技領(lǐng)域。MEMS與不同的技術(shù)結(jié)合，產(chǎn)生了大量的新型微器件，如微諧振器、微陀螺儀、微加速度計(jì)等。大多MEMS器件在使用前都需要通過(guò)真空封裝來(lái)減小工作環(huán)境中的空氣阻尼，提高品質(zhì)因數(shù)，以增強(qiáng)其性能。然而，一般真空環(huán)境中真空壓力并不等于MEMS器件中真空腔體的壓力。因此，尋找一種檢測(cè)MEMS器件內(nèi)部真空度的方法非常重要。同時(shí)這也是衡量MEMS器件真空封裝好壞的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。
[0003]目前常用的MEMS器件真空度檢測(cè)方法主要有三種:惰性氣體He值檢測(cè)法、諧振器Q值檢測(cè)法和薄膜變形法。這三種方法或多或少都存在一定的問(wèn)題，其中，He值檢測(cè)法需要非常精密的檢測(cè)儀器，成本較高，而且不能進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。Q值檢測(cè)法主要是通過(guò)測(cè)量MEMS器件的Q值，再通過(guò)公式反推來(lái)估計(jì)真空度，需要較為復(fù)雜的外圍電路。薄膜變形法是根據(jù)MEMS器件外層薄膜的形變來(lái)衡量真空度，該方法需要器件有外層薄膜，應(yīng)用范圍受到限制。
[0004]近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)MEMS器件內(nèi)部真空度檢測(cè)的研究，皮拉尼計(jì)提出并應(yīng)用到MEMS器件的真空度檢測(cè)。皮拉尼計(jì)是基于氣體導(dǎo)熱量與氣壓相關(guān)的原理進(jìn)行工作的。在工作過(guò)程中，通以電流的加熱體溫度會(huì)隨真空度的變化而發(fā)生改變，溫度的改變又會(huì)導(dǎo)致加熱體的電阻發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量電阻便可以測(cè)量真空度。
[0005]中國(guó)專利CN101256105A中描述了一種單晶硅橫向微型皮拉尼計(jì)，這種皮拉尼計(jì)包括襯底和娃結(jié)構(gòu)，娃結(jié)構(gòu)與襯底通過(guò)鍵合的方式成為一個(gè)整體。娃結(jié)構(gòu)分為散熱結(jié)構(gòu)和加熱結(jié)構(gòu)兩部分，散熱結(jié)構(gòu)是兩個(gè)相互對(duì)稱的、梳齒狀的散熱體，散熱結(jié)構(gòu)通過(guò)錨點(diǎn)與襯底固定；加熱結(jié)構(gòu)呈彎曲形狀，環(huán)繞在散熱體和梳齒之間，加熱體的兩端通過(guò)錨點(diǎn)與襯底固定。硅結(jié)構(gòu)與襯底通過(guò)鍵合整合，鍵合時(shí)溫度較高，容易引入殘余應(yīng)力，使熱阻變形，而且由于加熱體的熱膨脹，可能導(dǎo)致加熱體坍塌、折斷，產(chǎn)量低。中國(guó)專利CN101608962A中描述了一種以金屬作為加熱體的微型皮拉尼計(jì)，這種皮拉尼計(jì)包括襯底、隔熱層、絕緣層、加熱體四部分。制作時(shí)，先在襯底上淀積氮化硅或者二氧化硅，形成隔熱層和絕緣層，然后在絕緣層上濺射金屬附著層及金屬加熱體。雖然金屬加熱體的線性度較好，但也存在一些不足，其制作工藝過(guò)于復(fù)雜，而且成本較高，產(chǎn)量低。
三、
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了簡(jiǎn)化制作工藝、降低成本、提高成品率，同時(shí)避免加熱體制作過(guò)程中出現(xiàn)塌陷、折斷，本發(fā)明提出了一種SOI微型皮拉尼計(jì)及其制作方法。該皮拉尼計(jì)制作工藝簡(jiǎn)單，成品率高，具有較高的機(jī)械強(qiáng)度和靈敏度，而且性能穩(wěn)定，其制備工藝與MEMS器件的制備同步。[0007]本發(fā)明的技術(shù)方案如下:
[0008]SOI微型皮拉尼計(jì)是在SOI結(jié)構(gòu)上制作而成。SOI結(jié)構(gòu)如圖3 (I)所示分為三層，分別為器件層8、絕緣層9、基底層10，三者為一個(gè)整體。皮拉尼計(jì)的硅結(jié)構(gòu)在器件層8上制作，硅結(jié)構(gòu)主要包括厚度一致的加熱結(jié)構(gòu)和散熱結(jié)構(gòu)兩部分；所述加熱結(jié)構(gòu)由兩根呈周期梯形彎曲的加熱體5組成；加熱體5的梯形彎曲梯度為(2±1) ° ;兩根加熱體5通過(guò)兩端的加熱體錨點(diǎn)6與基底固定；所述散熱結(jié)構(gòu)由三部分組成:側(cè)面兩個(gè)相互對(duì)稱的兩側(cè)散熱體2和一個(gè)中間散熱體梳齒3 ;兩側(cè)散熱體梳齒2、中間散熱體梳齒3分別與加熱體5相互咬合，相互之間間距與絕緣層9的厚度一致，兩個(gè)兩側(cè)散熱體梳齒2通過(guò)兩側(cè)散熱體錨點(diǎn)
1、中間散熱體梳齒3通過(guò)中間散熱體錨點(diǎn)4固定在基底上。
[0009]工作原理:皮拉尼計(jì)工作時(shí)，在電極7上施加恒定的電流，加熱體5為單晶硅，具有一定的電阻，從而產(chǎn)生焦耳熱。加熱體5產(chǎn)生的熱量,分三部分散發(fā)出去。一部分通過(guò)加熱體錨點(diǎn)6與絕緣層9進(jìn)行熱傳導(dǎo)，通過(guò)這種方式散發(fā)的熱量為一定值，不受真空度大小的影響；一部分由加熱體5通過(guò)周圍的氣體將熱量熱對(duì)流傳遞到兩側(cè)散熱體梳齒2和中間散熱體梳齒3進(jìn)行散熱，通過(guò)熱對(duì)流散發(fā)的熱量占主要地位，而且真空度的大小與散熱的多少有關(guān)；還有一部分熱量通過(guò)熱輻射的方式散發(fā)到外界，這種方式散發(fā)的熱量在溫度較低的情況下可以忽略。因真空度不同，加熱體5的穩(wěn)態(tài)溫度不同，且加熱體5的電阻是隨著溫度變化的。所以只要測(cè)出加熱體5的電阻大小，就可以反推得到加熱體5的穩(wěn)態(tài)溫度，最終得到器件內(nèi)部的真空度大小。
[0010]相對(duì)CN101256105A專利中提到的單加熱體而言，本發(fā)明的有三個(gè)優(yōu)點(diǎn)。第一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高。為了增大皮拉尼計(jì)的量程，加熱體5的總長(zhǎng)度會(huì)做的比較長(zhǎng)，而加熱體5的支撐完全靠?jī)啥说腻^點(diǎn)，那么由于加熱體自身重力的關(guān)系，制作過(guò)程中非常容易發(fā)生坍塌、結(jié)構(gòu)斷裂等問(wèn)題，從而降低了成品率。本發(fā)明中增加了支撐錨點(diǎn)，兩端分別有2個(gè)支撐點(diǎn)，這樣便可以在保證相同加熱體長(zhǎng)度的同時(shí)，增強(qiáng)加熱體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，防止加熱體5由于自身重力發(fā)生結(jié)構(gòu)塌陷、斷裂等問(wèn)題，從而提高成品率。第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:響應(yīng)快，靈敏度高。皮拉尼計(jì)在工作的過(guò)程中，希望響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高。根據(jù)皮拉尼計(jì)的工作原理可知，器件響應(yīng)時(shí)間的長(zhǎng)短、靈敏度的高低與加熱體5的散熱快慢有關(guān)。在保證真空度相同的情況下，采用兩根加熱體，可以在四周布置更多的散熱體梳齒，如圖1中的兩側(cè)散熱體梳齒2、中間散熱體梳齒3，那么在器件產(chǎn)生相同熱量的情況下，更容易達(dá)到穩(wěn)態(tài)溫度。因而與單根加熱體相比，采用兩根加熱體5有利于增大散熱效率，降低響應(yīng)時(shí)間、提高器件的靈敏度。第三個(gè)優(yōu)點(diǎn)是:本發(fā)明的加熱體采用了梯形周期結(jié)構(gòu)，可靠性更高。皮拉尼計(jì)工作原理是測(cè)量器件的穩(wěn)定后的電阻，從而推知真空度的大小。那么所測(cè)得的電阻的大小直接關(guān)系到測(cè)量結(jié)構(gòu)的可靠性。采用矩形周期結(jié)構(gòu)，器件在散熱的時(shí)，水平方向散發(fā)的熱流與豎直方向散發(fā)的熱流會(huì)在加熱體5的拐角處聚集，造成拐角處的溫度高于其他位置的高度，那么加熱體5的溫度便很難保持一致，那么測(cè)量到的電阻值及真空度便缺乏可靠性。而采用梯形周期結(jié)構(gòu)，增加了加熱體的拐角，增大了與散熱體梳齒2、3的對(duì)流面積，使得熱量可以更好的散發(fā)出去，保證了加熱體溫度的一致性，從而提高了器件的可靠性。
[0011]本發(fā)明提出的SOI微型皮拉尼計(jì)制作方法包括以下步驟:
[0012]a.清洗SOI，去除SOI表面的原生氧化層；
[0013]b.對(duì)SOI進(jìn)行ICP干法刻蝕，形成皮拉尼計(jì)硅結(jié)構(gòu)；[0014]c.濺射金屬電極；
[0015]d.濕法腐蝕釋放硅結(jié)構(gòu)。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:采用ICP干法刻蝕工藝直接形成硅結(jié)構(gòu)，工藝簡(jiǎn)單；加熱體與錨點(diǎn)有四個(gè)連接點(diǎn)，與相同長(zhǎng)度的加熱體相比，增強(qiáng)了其機(jī)械強(qiáng)度；工藝過(guò)程中不存在鍵合、淀積等工藝，避免了加熱體由于熱膨脹導(dǎo)致的塌陷、折斷等問(wèn)題；散熱體除了器件層的結(jié)構(gòu)外，基底同時(shí)也作為散熱體，且加熱體與豎直方向夾角為(2±1) ° ,有利于散熱,從而縮短了皮拉尼計(jì)的響應(yīng)時(shí)間，提高了靈敏度和可靠性；同時(shí)成本低，成品率高，可用于微型腔體內(nèi)真空度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
四、【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明SOI微型皮拉尼計(jì)的俯視圖；
[0018]圖2為本發(fā)明SOI微型皮拉尼計(jì)的截面圖；
[0019]圖3為本發(fā)明SOI微型皮拉尼計(jì)的制備工藝流程圖；
[0020]圖3 (I)為SOI結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖3 (2)為ICP干法刻蝕后，形成硅結(jié)構(gòu)的示意圖；
[0022]圖3 (3)為濺射金屬電極后的示意圖
[0023]圖3 (4)為用HF濕法腐蝕釋放后的示意圖
[0024]圖中
[0025]I一兩側(cè)散熱體錨點(diǎn)2—兩側(cè)散熱體梳齒3—中間散熱體梳齒
[0026]4 一中間散熱體錨點(diǎn)5—加熱體6—加熱體錨點(diǎn)
[0027]7—金屬電極8—器件層9 一絕緣層
[0028]10 一基底層
五、【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
[0030]本實(shí)例采用的SOI結(jié)構(gòu)為:器件層8為單晶硅，厚度50 μ m ;絕緣層9為二氧化硅，厚度4μπι;基底層10為單晶硅，厚度500μπι。加熱體與豎直方向夾角為3°，加熱體長(zhǎng)度為IOmm,寬度為30 μ m,散熱體梳齒與加熱體間隙為5 μ m。
[0031]該實(shí)施例的制備方法，順序包括如下步驟:
[0032](I)如圖3 (I)所示，取一片SOI硅片，清洗SOI，去除SOI表面的原生氧化層；
[0033](2)如圖3 (2)所示，光刻出皮拉尼計(jì)硅結(jié)構(gòu)圖形；對(duì)SOI進(jìn)行ICP干法刻蝕，刻蝕深度為50 μ m，形成皮拉尼計(jì)硅結(jié)構(gòu)；然后去除光刻膠。
[0034](3)如圖3 (3)所不,光刻出金屬電極圖形；派射一層金屬Al或者Au,厚度IOOnm,從而形成濺射金屬電極；然后去除光刻膠。
[0035](4)如圖3 (4)所示，將圖3 (3)后的結(jié)構(gòu)放入到HF中進(jìn)行濕法腐蝕，從而釋放硅結(jié)構(gòu)，獲得SOI微型皮拉尼計(jì)。
[0036]本發(fā)明中，上述實(shí)施例提供了一種優(yōu)化了的SOI微型皮拉尼計(jì)結(jié)構(gòu)和制備方法，本發(fā)明不僅僅局限與此實(shí)施例，可以根據(jù)實(shí)際需要和設(shè)計(jì)要求作出相應(yīng)的修改，例如散熱體梳齒與加熱體之間的間隙、加熱體的長(zhǎng)度、加熱體的寬度、加熱體與豎直方向之間的夾角可調(diào)。
【權(quán)利要求】
1.一種SOI微型皮拉尼計(jì)，其特征在于，所述皮拉尼計(jì)的硅結(jié)構(gòu)在器件層(8)上制作，硅結(jié)構(gòu)主要包括厚度一致的加熱結(jié)構(gòu)和散熱結(jié)構(gòu)兩部分；所述加熱結(jié)構(gòu)由兩根呈周期梯形彎曲的加熱體(5)組成；加熱體(5)的梯形彎曲梯度為(2± I) ° ;兩根加熱體5通過(guò)兩端的加熱體錨點(diǎn)(6)與基底固定；所述散熱結(jié)構(gòu)由三部分組成:側(cè)面兩個(gè)相互對(duì)稱的兩側(cè)散熱體(2 )和一個(gè)中間散熱體梳齒(3 );兩側(cè)散熱體梳齒(2 )、中間散熱體梳齒(3 )分別與加熱體5)相互咬合，相互之間間距與絕緣層(9)的厚度一致，兩個(gè)兩側(cè)散熱體梳齒(2)通過(guò)兩側(cè)散熱體錨點(diǎn)(I)、中間散熱體梳齒(3)通過(guò)中間散熱體錨點(diǎn)(4)固定在基底上。
【文檔編號(hào)】B81C1/00GK103968997SQ201410153557
【公開(kāi)日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】苑偉政, 王偉康, 任森, 孫小東, 陳旭輝 申請(qǐng)人:西北工業(yè)大學(xué)