[發(fā)明專利]一種三維真空傳感器及其制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210473448.6
• 申請日: 2012-11-20
• 公開（公告）號: CN102928153A
• 公開（公告）日: 2013-02-13
• 發(fā)明（設計）人: 熊斌;孫曉;徐德輝;王躍林
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海微系統(tǒng)與信息技術研究所
• 主分類號: G01L21/10
• 分類號: G01L21/10;B81B7/00;B81C1/00
• 代理公司: 上海光華專利事務所 31219
• 代理人: 余明偉

技術領域

本發(fā)明涉及一種傳感器及其制備方法，特別是涉及一種三維熱傳導型真空傳感器及制作方法，屬于真空技術和微機電系統(tǒng)技術領域。

背景技術

真空測量在工業(yè)、航天及核原料提純等領域有著十分廣泛的應用，傳統(tǒng)的真空傳感器種類繁多且體積較大，限制了它們在某些領域的運用，特別是運用到一些微小器件與儀器儀表中。結合真空傳感器的發(fā)展歷史和使用需求，目前常用真空計具有向小型化、集成化、系統(tǒng)化和智能化方向發(fā)展的趨勢。MEMS的迅速發(fā)展，尤其是微加工技術的迅速發(fā)展，使真空傳感器微型化的發(fā)展成為現(xiàn)實。微型真空傳感器具有以下顯著的優(yōu)點：功耗低、測量靈敏度較高、動態(tài)測量范圍得到改善、體積小、可批量生產、成本低。

微型熱傳導真空傳感器是微型真空傳感器中的一種，利用微加工技術加工而成。它的工作原理：當氣體分子的平均自由程比兩個溫度不同的平行平板間的距離大時，兩個平板間傳遞的熱量和傳遞熱量的分子數(shù)成比例關系，即氣體的熱傳導率隨壓強的變化而變化。微型熱傳導真空傳感器根據測量溫度方法的不同分為兩類：電阻型(皮拉尼型)真空傳感器和熱電型真空傳感器（F.?V?lklein?and?A.?Meier,?“Microstructured?vacuum?gauges?and?their?future?perspectives,”?Vacuum,?vol.?82,?no.?4,?pp.?420–430,?Dec.?2007）。傳統(tǒng)的熱電型真空傳感器由兩部分組成：加熱器部分和熱電堆部分。熱電堆的熱端與加熱器相連，冷端與硅襯底相連，熱電堆輸出的電壓值反映出了熱電型真空傳感器周圍氣壓的變化。傳統(tǒng)的熱電型真空傳感器利用體微機械加工技術制作而成，采用正面濕法腐蝕技術（O.?Paul,?O.?Brand,?R.?Lenggenhager,?and?H.?Baltes,?“Vacuum?gauging?with?complementary?metal–oxide–semiconductor?microsensors.”??J.?Vac.?Sci.?Technol.?A?13,?503?（1995））和背面濕法腐蝕技術(A.?W.?van?Herwaarden,?D.?C.?van?Duyn,?and?J.?Groeneweg,?“Small-size?Vacuum?Sensors?Based?on?Silicon?Thermopiles.”?Sensors?and?Actuators?A?25-27,?565?(1991))，把加熱器和熱電堆下面的硅襯底材料去除，實現(xiàn)加熱器、熱電堆與硅襯底之間的熱隔離。

然而，傳統(tǒng)的微型熱電型真空傳感器制作方法存在以下問題：

加熱器和熱電堆制作在同一平面上，限制了熱電型真空傳感器的進一步微型化；采用濕法腐蝕技術釋放結構，存在結構層容易與襯底黏連的問題，降低了器件的成品率；由于采用背面濕法腐蝕技術釋放，加熱器到襯底的距離很大，很難提高熱電型真空傳感器的壓強測量上限，使熱電型真空傳感器的測量范圍較窄。

鑒于此，如何提出一種微型熱電型真空傳感器及其制作方法以克服上述現(xiàn)有技術中的缺點，成為了目前亟待解決的問題。

發(fā)明內容

鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種三維真空傳感器及其制備方法，用于解決現(xiàn)有技術中成品率低、體積大、測量范圍窄及測量精度低的問題。

為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明提供一種三維真空傳感器的制備方法，所述制備方法至少包括：

1）提供一半導體襯底，在該半導體襯底上制備由第一支撐膜所包裹的熱電堆結構以及熱電堆引出焊盤；

2）在所述步驟1）形成的結構上沉積一層犧牲層，然后對所述犧牲層進行圖形化刻蝕，以在該犧牲層上形成連通所述第一支撐膜的接觸孔；

3）在所述步驟2）形成的結構上制備由第二支撐膜所包裹的微加熱器結構以及微加熱器引出焊盤；

4）在所述第二支撐膜上進行圖形化刻蝕，刻蝕露出所述熱電堆引出焊盤和微加熱器引出焊盤，然后再刻蝕所述第二支撐膜直至形成連通所述半導體襯底的釋放通孔；

5）通過所述釋放通孔并利用干法腐蝕工藝將所述第一支撐膜與第二支撐膜之間的所述犧牲層腐蝕掉，同時在所述半導體襯底上腐蝕形成凹腔結構，從而釋放了所述熱電堆結構和微加熱器結構；

6）提供一蓋板，通過濕法腐蝕工藝在所述蓋板一側形成空腔，同時在該蓋板側面腐蝕出小孔以保持封裝腔內和外界相同的壓強；然后利用圓片級鍵合工藝將所述蓋板具有空腔的一側鍵合于所述步驟5）中形成的結構上，從而完成所述三維真空傳感器的制作；