专利名称：敏感膜—阴极复合型压力传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于压力传感器，特别是真空微电子压力传感器。
真空微电子(VME)压力传感器最早于1991年第六届固态敏感器和执行器国际会议(TRANSDUCERS’91)上提出。其结构主要由四部分组成，如图1所示(1)压力敏感膜作为阳极，采用金属膜或硅薄膜；(2)阴极，大多采用场发射尖锥阵列；(3)阴阳极之间的绝缘层；(4)阴阳极之间的真空微腔。传感器工作原理是阳极相对于阴极施加正电压，在阴极表面形成电场，使阴极产生电子发射。当敏感膜受压变形时，阴阳极间距变化，阴极表面场强随之改变，从而导致阴极发射电流变化。当阴极表面电场很强时，阴极的发射为场致发射，其发射电流密度对于场强变化非常敏感，而温度等因素的影响理论上可忽略不计。因而真空微电子压力传感器具有灵敏度高、抗辐照和温度稳定性好等优点。近年来关于真空微电子压力传感器的研究不断深入。例如在阴极结构和材料方面，采用金刚石等场发射膜取代阵列阴极、或在阵列尖锥阴极表面镀膜以改善阴极发射性能。本发明人于1996年提出采用“台阶阴极”取代“平面阴极”以提高传感器灵敏度、扩展量程、改善输出信号线性，并于1997年10月提出微腔充气型真空微电子压力传感器以缓解由于传感器真空腔内、外压强差过大而引起的压力敏感膜空载变形问题。普通真空微电子压力传感器一般将压力敏感膜作为阳极，阴极采用场发射阵列或电子发射膜。为了保证传感器工作在最佳状态，要求压力敏感膜与场发射阴极对准。由于真空微电子传感器属于微结构传感器，阴、阳极尺寸很小(一般为几百微米)，因此传感器封装时场发射阴极与压力敏感膜的对准精度一般应控制在几微米以内。这样高的对准精度往往要借助于显微镜才能实现，因而常常要求封装系统带有高精度的对准装置。
本发明的目的是改变传感器的结构，使得传感器真空封装时阴、阳极对准工艺大为简化。
本发明的主要特点是将场发射阴极23制作在压力敏感膜22上成为一体。
本发明使得传感器封装时只需使阴极图形与阳极电极引线相对应，对准精度可为几十微米至几百微米，大大降低了对准精度要求，简化了封装工艺，对于提高传感器封装成功率、实现批量化生产有重要意义。
图1是现有技术真空微电子压力传感器原理图。
图中11—阴极场发射阵列 12—阳极压力敏感膜 13—真空腔 14—绝缘层图2是本发明原理图。图2A是使用电子发射膜阴极的真空微电子压力传感器的原理图。图2B是使用尖锥阵列阴极的真空微电子压力传感器。
图中21—阳极 22—压力敏感膜 23—阴极电子发射膜(阴极场发射阵列)24—真空腔 25—绝缘层 26—惰性气体下面结合附图详述本发明。
普通真空微电子压力传感器一般将压力敏感膜作为阳极，阴极采用场发射阵列或电子发射膜。为了保证传感器工作在最佳状态，要求压力敏感膜与场发射阴极对准。由于真空微电子传感器属于微结构传感器，阴、阳极尺寸很小(一般为几百微米)，因此传感器封装时场发射阴极与压力敏感膜的对准精度一般应控制在几微米以内。这样高的对准精度往往要借助于显微镜才能实现，因而常常要求封装系统带有高精度的对准装置。
本发明提出“敏感膜—阴极复合型”真空微电子压力传感器，如图2所示，其特点是将场发射阴极(电子发射膜或场发射尖锥阵列)制作在压力敏感膜上，即敏感膜与场发射阴极合为一体；阳极上不需再加工压力敏感膜，只制作电极引线。由于场发射阴极被制作在压力敏感膜上，两者在光刻制作过程中已进行了高精度对准，传感器封装时不需再进行阴极与敏感膜的对准；阳极不再带有敏感膜，只有电极引线，传感器封装时只需使阴极图形与阳极电极引线相对应，对准精度可为几十微米至几百微米，大大降低了对准精度要求，简化了封装工艺，对于提高传感器封装成功率、实现批量化生产有重要意义。
图1所示的普通真空微电子压力传感器与图2所示的新型传感器在制作工艺步骤上不同。普通传感器制作工艺步骤一般为在不同的基片上分别制作场发射阴极和阳极压力敏感膜，然后将分立的阴、阳极封装在一起，要求场发射阴极与阳极压力敏感膜对准(精度控制在几微米)，且阴、阳极之间的绝缘层要能够承受传感器的工作电压。
“敏感膜—阴极复合型”真空微电子压力传感器的制作步骤是在一硅片上先采用腐蚀自停止方法制作压力敏感膜，然后在压力敏感膜上制作场发射阴极(电子发射膜或尖锥阵列)，另一作为阳极的基片除电极引线外不作其他加工，阴、阳极封装时除保证绝缘层以外只需使阴极图形与阳极电极引线对应(对准精度可为几十微米至几百微米)，大大降低了对准精度要求，使封装工艺操作不需采用显微镜对准，完全避免了普通真空微电子压力传感器封装时阴、阳极对准精度要求高所带来的种种麻烦。
以往真空微电子压力传感器制作过程中还存在着另一个值得注意的问题按照传统真空器件的概念，真空微腔中真空度越高越好，所以一般希望阴、阳极之间的真空度在10-5Torr以上，而传感器外部是大气，真空微腔内、外压强差很大，当压力敏感膜很薄时会发生敏感膜空载变形，影响传感器的灵敏度和量程。为解决这一问题，本专利提出在真空微腔内充少量惰性气体，充气量大小和腔内真空度高低根据敏感膜的形变特性而定，以保证敏感膜在没有外加压力的情况下不因真空微腔内、外压强差而产生很大的空载变形。“微腔充气”的优点如下(1)惰性气体不会造成对阴极表面的污染，所以不会影响阴极的功函数及电子发射；(2)由于阴阳极间距很小，电子和气体分子在各自的平均自由程内相互碰撞的机率很小，与阴极发射的电流相比，碰撞而产生的离子流可忽略不计。(3)由于微腔内充一定量气体，减小了由于腔内、外压强差过大而引起的压力敏感膜空载变形问题，对于提高传感器灵敏度和扩展传感器量程有重要意义。
权利要求
1.敏感膜—阴极复合型压力传感器，其特征是阳极21、压力敏感膜22、阴极电子发射膜23、绝缘层25构成了压力传感器；所说的压力敏感膜22和阴极电子发射膜23为一体。
2.按权利要求1所述的敏感膜—阴极复合型压力传感器，其特征是所说的阴极电子发射膜23可为尖锥阵列。
3.按权利要求1所述的敏感膜—阴极复合型压力传感器，其特征是真空腔24内充有少量惰性气体26。
全文摘要
敏感膜—阴极复合型压力传感器,由阳极21、压力敏感膜22、阴极电子发射膜23、绝缘层25构成了压力传感器;所说的压力敏感膜22和阴极电子发射膜23为一体。本发明使得传感器封装时只需使阴极图形与阳极电极引线相对应,对准精度可为几十微米至几百微米,大大降低了封装时阴、阳极对准精度要求,简化了封装工艺,对于提高传感器封装成功率、实现批量化生产有重要意义。
文档编号G01L21/34GK1190736SQ9810088
公开日1998年8月19日 申请日期1998年3月4日 优先权日1998年3月4日
发明者夏善红, 陶新昕 申请人:中国科学院电子学研究所