一种多感压膜绝压MEMS电容薄膜真空规的制作方法

一种多感压膜绝压mems电容薄膜真空规
技术领域
1.本技术涉及真空计量技术领域，具体而言，涉及一种多感压膜绝压mems电容薄膜真空规。


背景技术：

2.基于微机电系统(mems)技术的电容薄膜真空规(cdg)具有小型化、低功耗及低成本的特点，同时也具备传统电容薄膜规精度高、重复性好、长期稳定性好的特点。
3.绝压mems-cdg能够满足航空航天、生物医学等领域对真空测量仪器小型化的需求，近年来得到了迅速的发展，具有逐渐取代传统的机械式电容薄膜真空规的趋势。然而，现有的绝压mems-cdg存在测量下限高、灵敏度低、线性差、真空参考腔高真空度不易获得和维持等问题，这也导致绝压mems-cdg不能很好的满足目前市场的需求。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种多感压膜绝压mems电容薄膜真空规，线性度好，灵敏度高，能够实现10-2
pa至104pa范围绝对真空度的测量。
5.为了实现上述目的，本技术提供了一种多感压膜绝压mems电容薄膜真空规，包括基底玻璃、基底硅、感压薄膜以及上盖玻璃，其中：基底硅设置在基底玻璃与上盖玻璃之间，通过硅-玻璃阳极键合方式分别与下方的基底玻璃和上方的上盖玻璃连接；感压薄膜设置在基底硅上，感压薄膜的下方空间与基底玻璃之间形成测量腔体，感压薄膜的上方空间与上盖玻璃之间形成参考腔体；测量腔体内设置有敏感电容电极和信号引出电极，敏感电容电极和信号引出电极均通过磁控溅射的方式设置在基底玻璃的上表面；敏感电容电极设置在感压薄膜的正下方，信号引出电极设置在敏感电容电极的一侧，并与敏感电容电极连接；参考腔体内设置有硅块和吸气剂膜，硅块通过硅-玻璃阳极键合方式固定在上盖玻璃的下表面，吸气剂膜设置在硅块的下表面。
6.进一步的，感压薄膜由4个大小相同的正方形薄膜组成四膜并联结构，每个感压薄膜之间相互连通，每个感压薄膜的宽厚比范围均在350-500。
7.进一步的，基底硅采用soi片制作而成，感压薄膜设置在soi片上的薄硅层，薄硅层的材料为掺杂浓硼的单晶硅。
8.进一步的，敏感电容电极和信号引出电极均为双层结构，由铬膜和铝膜组成，铬膜设置在基底玻璃的上表面，厚度为20-40nm，铝膜设置在铬膜的上表面，厚度为200-400nm。
9.进一步的，基底硅的一侧还设置有信号引出电极槽，信号引出电极槽设置在信号引出电极的上方。
10.进一步的，硅块为长方体单晶硅，长度小于参考腔体的整体长度，硅块的厚度为参考腔体高度的一半。
11.进一步的，吸气剂膜采用磁控溅射的方式设置在硅块的下表面，吸气剂膜为非蒸散型zr-co-re吸气剂薄膜，激活温度为200℃-500℃，厚度为1-3μm。
12.进一步的，上盖玻璃为pyrex7740玻璃，上盖玻璃的边长与基底硅的宽度相同。
13.本发明提供的一种多感压膜绝压mems电容薄膜真空规，具有以下有益效果：
14.本技术能够实现10-2
pa至104pa范围绝对真空度的测量，测量准确度高、灵敏度高、输出的重复性和长期稳定性好，同时具有体积小、重量轻、功耗低、制作工艺与集成电路兼容，便于集成化批量生产的优点，可以应用于深空探测、风洞实验以及生物医学等对真空测量仪器有小型化要求的领域中，其中，感压薄膜设置在soi片的薄硅层处，具有腐蚀自停止的特点，可以保证薄膜尺寸精确，表面光滑，减小了残余应力对薄膜的影响，感压薄膜由四个小薄膜组成，四个小薄膜相比同等面积的大薄膜，在保证高电容-压力灵敏度的同时，具有更大的抗破坏能力；四个小薄膜形状尺寸相等，都具有较大的宽厚比，使得薄膜具有很高的灵敏度，使真空规具有很低的测量下限。
附图说明
15.构成本技术的一部分的附图用来提供对本技术的进一步理解，使得本技术的其它特征、目的和优点变得更明显。本技术的示意性实施例附图及其说明用于解释本技术，并不构成对本技术的不当限定。在附图中：
16.图1是根据本技术实施例提供的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规的结构示意图；
17.图2是根据本技术实施例提供的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规的剖视图(沿图1中a-a剖开)；
18.图3是根据本技术实施例提供的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规的性能测试数据图；
19.图中：1-基底玻璃、12-敏感电容电极、13-信号引出电极、2-基底硅、21-感压薄膜、22-测量腔体、23-参考腔体、24-信号引出电极槽、3-硅块、31-吸气剂膜、4-上盖玻璃。
具体实施方式
20.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
21.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
22.在本技术中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。这些术语主要是为了更好地描述本技术及其实施例，并非用于限定所指示的装
置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。
23.并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本技术中的具体含义。
24.另外，术语“多个”的含义应为两个以及两个以上。
25.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本技术。
26.如图1-2所示，本技术提供了一种多感压膜绝压mems电容薄膜真空规，包括基底玻璃1、基底硅2、感压薄膜21以及上盖玻璃4，其中：基底硅2设置在基底玻璃1与上盖玻璃4之间，通过硅-玻璃阳极键合方式分别与下方的基底玻璃1和上方的上盖玻璃4连接；感压薄膜21设置在基底硅2上，感压薄膜21的下方空间与基底玻璃1之间形成测量腔体22，感压薄膜21的上方空间与上盖玻璃4之间形成参考腔体23；测量腔体22内设置有敏感电容电极12和信号引出电极13，敏感电容电极12和信号引出电极13均通过磁控溅射的方式设置在基底玻璃1的上表面；敏感电容电极12设置在感压薄膜21的正下方，信号引出电极13设置在敏感电容电极12的一侧，并与敏感电容电极12连接；参考腔体23内设置有硅块3和吸气剂膜31，硅块3通过硅-玻璃阳极键合方式固定在上盖玻璃4的下表面，吸气剂膜31设置在硅块3的下表面。
27.具体的，本技术实施例提供的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规设置多个感压薄膜21，并且整体呈现绝压式结构，在保证薄膜具有良好的可靠性以及承受大压力的同时，还能够使真空规中参考腔内的真空压力长期维持在很低的水平，进而实现全量程2
×
10-2-8.5
×
104pa真空度的测量。其中，真空规的整体结构为玻璃-硅-玻璃三层结构，基底硅2设置在基底玻璃1和上盖玻璃4之间，通过硅-玻璃阳极键合的方式与基底玻璃1和上盖玻璃4连接，感压薄膜21固定设置在基底硅2上，下方空间与基底玻璃1之间形成测量腔体22，上方空间与上盖玻璃4之间形成参考腔体23，测量腔体22内设置有敏感电容电极12和信号引出电极13，参考腔体23内设置有硅块3和吸气剂膜31；参考腔体23主要为真空度的测量提供参考压力，为了保证参考腔体23内部高真空度的获得，基底硅2在与上盖玻璃4进行键合时应该处于高真空(10-4
pa)以及高温环境(360℃)中，并且高温环境还能够激活参考腔体23内部的吸气剂，使其进行工作，制作过程中，一般确保参考腔体23内压力比真空规的测量下限低两个数量级以上，这样与真空规的读数相比，参考腔体23内的压力可以忽略不计；而感压薄膜21作为敏感电容的可动电极，与敏感电容电极12以及之间的空腔共同组成真空规的敏感电容，敏感电容的有效极板面积为敏感电容电极12的面积，有效间隙为感压薄膜21下方空间的深度；敏感电容电极12与信号引出电极13连接，敏感电容的信号通过信号引出电极13引出，后续与测量装置连接；当真空规工作时，测量腔体22内部的真空压力大于参考腔体23的真空压力时，感压薄膜21会受到外界的压力，从而产生挠度变形，这样就会使敏感电容发生变化，敏感电容的变化信号通过信号引出电极13引出传输至测量装置，通过测量敏感电容的变化就可以得到真空度的变化量，无需扣除参考腔体23的真空压力，就能直接获得测量结果，从而实现绝压式测量。
28.进一步的，感压薄膜21由4个大小相同的正方形薄膜组成四膜并联结构，每个感压薄膜21之间相互连通，每个感压薄膜21的宽厚比范围均在350-500。感压薄膜21整体为四膜
并联结构，即由4个大小相同的正方形薄膜组成，薄膜之间相互连通，电信号也可以相互导通；设置四个相同的正方形薄膜，主要为了承受更大的压力，相比单个薄膜，在相同外界压力作用下输出的电容更大；而每个感压薄膜21都具有较大的宽厚比，主要为了在受到压力时，使感压薄膜21的扰度变形更大，这样真空规中的敏感电容变化也更明显，真空规就具有更优的灵敏度。在本技术实施例中，每个正方形薄膜的边长优选为2100μm，厚度优选为6μm，并且下方敏感电容电极12的形状尺寸与感压薄膜21整体的形状尺寸一致。
29.进一步的，基底硅2采用soi片制作而成，感压薄膜21设置在soi片上的薄硅层，薄硅层的材料为掺杂浓硼的单晶硅。基底硅2采用soi片制作而成，在进行腐蚀工艺的时候具有自停止的特点，得到的硅结构尺寸比普通硅片更精确，结构表面粗糙度也更优；soi片优选分为三层，包括薄硅层、二氧化碳层以及厚硅层，感压薄膜21通过刻蚀薄硅层而成，薄硅层材料为浓硼掺杂的单晶硅，具有良好的导电性，本身为导体，因此不用镀制电极膜层，此外由于腐蚀自停止工艺薄膜表面光滑，减小了薄膜表面的应力集中现象，使感压薄膜21拥有更优的机械性能；感压薄膜21的下方采用光刻以及干法刻蚀方法制作一定深度的与感压薄膜21形状相同的刻蚀槽，该刻蚀槽的深度即为真空规敏感电容的极板间隙。
30.进一步的，敏感电容电极12和信号引出电极13均为双层结构，由铬膜和铝膜组成，铬膜设置在基底玻璃1的上表面，厚度为20-40nm，铝膜设置在铬膜的上表面，厚度为200-400nm。敏感电容电极12的形状与感压薄膜21的形状相同，均优选由四块正方形的电极组成，四个正方形电极相互联通，可以实现电信号传输。而敏感电容电极12和信号引出电极13均为双层结构，由铬膜和铝膜组成，以先铬膜后铝膜的顺序依次通过磁控溅射方法镀在基底玻璃1上表面，其中，铬膜作为黏附层，厚度优选为30nm，铝膜作为导电层，厚度优选为300nm，保证了电极的可靠性。
31.进一步的，基底硅2的一侧还设置有信号引出电极槽24，信号引出电极槽24设置在信号引出电极13的上方。信号引出电极13通过信号引出电极槽24与测量电路连接，用于将敏感电容(感压薄膜21和敏感电容电极12)的变化信号传输给测量电路。
32.进一步的，硅块3为长方体单晶硅，长度小于参考腔体23的整体长度，硅块3的厚度为参考腔体23高度的一半。硅块3设置在参考腔体23的内部，主要用于对感压薄膜21进行限位，在压力较大时，防止感压薄膜21变形太大而造成损坏。
33.进一步的，吸气剂膜31采用磁控溅射的方式设置在硅块3的下表面，吸气剂膜31为非蒸散型zr-co-re吸气剂薄膜31，激活温度为200℃-500℃，厚度为1-3μm。吸气剂膜31采用非蒸散型zr-co-re吸气剂薄膜，zr-co-re吸气剂薄膜对基底要求低、吸气性能良好、寿命长，且激活温度在200℃到500℃之间，与阳极键合的温度相兼容，可以在封装的过程中进行激活从而保证吸气剂达到最佳的吸气性能，能够保证参考腔体23内长期稳定维持高真空状态，使真空规的测量下限更低、长期稳定性更好。
34.进一步的，上盖玻璃4为pyrex7740玻璃，上盖玻璃4的边长与基底硅2的宽度相同。上盖玻璃4和基底玻璃1的材料相同，均优选为pyrex7740玻璃，该材料的玻璃与单晶硅的热膨胀系数比较接近，能够消除制作过程中高温所造成的影响。
35.具体的，本技术实施例提供的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规可以采用如下步骤进行制备：
36.步骤1：完成基底硅2的双面氧化，采用干氧化和湿氧化结合的方式在基底硅2两表
面生成厚度约为1μm的二氧化硅膜；
37.步骤2：在基底硅2薄硅层面进行光刻显影，除去二氧化硅层后采用干法刻蚀对图形区域进行刻蚀，感压薄膜21的四膜结构在该步骤形成；
38.步骤3：进行感压薄膜21上方空间图形的光刻和显影，并除去在厚硅层表面的二氧化硅层；
39.步骤4：敏感电容电极12、信号引出电极13的剥离，通过光刻和显影在基底玻璃1表面获得固定电极图形后，采用磁控溅射在基底玻璃1光刻面溅射铬和铝薄膜，之后采用剥离技术完成基底玻璃1上敏感电容电极12、信号引出电极13的制备；
40.步骤5：进行基底玻璃1与基底硅2的整片阳极键合，具有敏感电容电极12、信号引出电极13的基底玻璃1表面和具有感压薄膜21的基底硅2通过阳极键合组成敏感电容；
41.步骤6：利用湿法刻蚀对键合片进行刻蚀，刻蚀将在基底硅2的氧化层停止，除去该氧化层后即可得到感压薄膜21上方空间以及信号引出电极槽24引出窗口，感压薄膜21也在该步中完成释放；
42.步骤7：对玻璃进行划片切割，制备大小符合参考腔体23要求的上盖玻璃4；
43.步骤8：将吸气剂膜31溅射于硅块3的表面上，并将硅块3与上盖玻璃4键合；
44.步骤9：对参考腔体23进行真空封装，将待键合的上盖玻璃4和基底硅2放入键合腔体中，设置加热温度为360℃，同时对腔体抽真空至10-5
pa，在该条件下加热2.5h后将上盖玻璃4与基底硅2贴合并压紧，接着施加800v的直流电压完成封装。
45.更具体的，本技术实施例提供的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规在进行性能测试时，首先将真空规安装在法兰连接件kf25上，该法兰连接件可连接到真空系统，该系统真空腔中的真空度可在10-2-105pa的范围内精确控制和测量；然后通过调节阀和截止阀、机械泵和涡轮分子泵控制真空室中的真空度；采用一个复合规和两个量程分别为133pa和133kpa的电容薄膜真空计检测真空室的真空度；利用精密lcr(keysight-e4980al)测量本技术实施例的输出电容；分别记录真空腔中的压力变化和对应的真空计的输出电容即可得到真空规的电容压力曲线。如图3所示，真空规在2
×
10-2-8.5
×
104pa范围内的电容压力曲线，在该范围内，真空规敏感电容的变化量约为17.48pf；同时可以看出真空规的灵敏度随着压力的增大而减小，如图3所示，在2
×
10-2-1
×
10-1
pa压力范围内，真空规敏感电容变化量为13ff，灵敏度约为162.5ff/pa，而在1
×
10-1-1pa压力范围内，真空规敏感电容变化量为15ff，灵敏度约为16.7ff/pa，在1-8.5
×
104pa压力范围内，真空规灵敏度的最大值为12.9ff/pa，最小值为0.29ff/pa。
46.由此可以看出，本技术施例提供的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规能够实现10-2
pa至104pa范围绝对真空度的测量，测量分辨率优于0.2pa，在保证感压薄膜21能够承受更多大气压力的同时，还能够提高真空规整体的灵敏度并改善输出的线性度。
47.以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种多感压膜绝压mems电容薄膜真空规，其特征在于，包括基底玻璃、基底硅、感压薄膜以及上盖玻璃，其中：所述基底硅设置在所述基底玻璃与所述上盖玻璃之间，通过硅-玻璃阳极键合方式分别与下方的所述基底玻璃和上方的所述上盖玻璃连接；所述感压薄膜设置在所述基底硅上，所述感压薄膜的下方空间与所述基底玻璃之间形成测量腔体，所述感压薄膜的上方空间与所述上盖玻璃之间形成参考腔体；所述测量腔体内设置有敏感电容电极和信号引出电极，所述敏感电容电极和所述信号引出电极均通过磁控溅射的方式设置在所述基底玻璃的上表面；所述敏感电容电极设置在所述感压薄膜的正下方，所述信号引出电极设置在所述敏感电容电极的一侧，并与所述敏感电容电极连接；所述参考腔体内设置有硅块和吸气剂膜，所述硅块通过硅-玻璃阳极键合方式固定在所述上盖玻璃的下表面，所述吸气剂膜设置在所述硅块的下表面。2.根据权利要求1所述的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述感压薄膜由4个大小相同的正方形薄膜组成四膜并联结构，每个所述感压薄膜之间相互连通，每个所述感压薄膜的宽厚比范围均在350-500。3.根据权利要求2所述的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述基底硅采用soi片制作而成，所述感压薄膜设置在soi片上的薄硅层，所述薄硅层的材料为掺杂浓硼的单晶硅。4.根据权利要求1所述的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述敏感电容电极和所述信号引出电极均为双层结构，由铬膜和铝膜组成，所述铬膜设置在所述基底玻璃的上表面，厚度为20-40nm，所述铝膜设置在所述铬膜的上表面，厚度为200-400nm。5.根据权利要求4所述的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述基底硅的一侧还设置有信号引出电极槽，所述信号引出电极槽设置在所述信号引出电极的上方。6.根据权利要求1所述的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述硅块为长方体单晶硅，长度小于所述参考腔体的整体长度，所述硅块的厚度为所述参考腔体高度的一半。7.根据权利要求6所述的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述吸气剂膜采用磁控溅射的方式设置在所述硅块的下表面，所述吸气剂膜为非蒸散型zr-co-re吸气剂薄膜，激活温度为200℃-500℃，厚度为1-3μm。8.根据权利要求1所述的多感压膜绝压mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述上盖玻璃为pyrex7740玻璃，所述上盖玻璃的边长与所述基底硅的宽度相同。

技术总结
本申请涉及真空计量技术领域，具体而言，涉及一种多感压膜绝压MEMS电容薄膜真空规，包括基底玻璃、基底硅、感压薄膜以及上盖玻璃，其中：基底硅设置在基底玻璃与上盖玻璃之间；感压薄膜设置在基底硅上，感压薄膜的下方空间与基底玻璃之间形成测量腔体，感压薄膜的上方空间与上盖玻璃之间形成参考腔体；测量腔体内设置有敏感电容电极和信号引出电极；参考腔体内设置有硅块和吸气剂膜。本申请能够实现10-2


技术研发人员：李刚 李得天 成永军 孙雯君 张虎忠 陈会颖 任正宜 赵澜
受保护的技术使用者：兰州空间技术物理研究所
技术研发日：2023.06.02
技术公布日：2023/8/21