专利名称：真空传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器，尤其是涉及一种基于微机电系统(MEMS)技术，利用硅尖阵列的场致发射原理来测量真空度大小的微型真空传感器。
背景技术：
真空微电子器件是微电子技术、MEMS技术和真空电子学发展的产物，它是一种基于真空电子输运器件的新技术，它主要由场致发射阵列阴极、阳极、两电极之间的绝缘层和真空微腔组成。由于电子输运是在真空中进行的，因此具有极快的开关速度、非常好的抗辐照能力和极佳的温度特性。目前研究较多的真空微电子器件主要包括场发射显示器、场发射照明器件、真空微电子毫米波器件、真空微电子传感器等。
随着真空微电子技术的飞速发展，真空微电子器件的广泛应用，越来越多的微电子器件和微机械系统需要在真空环境下工作，而且对真空度的要求也越来越高。而现有的真空封装技术会存在一定的残余压力，而且时间一长也会有密封失效的问题，然而封装内部的真空度又无法测量，因此将无法确保这些微电子器件和微机械系统是否在其设计的工作环境中工作。如果能将微型真空传感器集成到这些微电子器件和微机械系统中，那么可以随时监控这些器件的工作环境的真空度，从而可以得知这些真空微电子器件和微机电系统是否在其最佳工作状态，确保其可靠性。因此可以看出微型真空传感器在真空微电子和微机械系统领域有着广泛的应用前景，随着MEMS技术的发展，其必将得到飞速的发展和广泛的应用。
现有的微型真空传感器主要有热传导式真空传感器、薄膜式真空传感器和谐振式真空传感器等。
热传导式真空传感器其工作原理是根据热的物体向周围空间散热的损失与周围气体的压力有关，通过测量该物体温度的变化从而得出所处环境的真空度。1996年台湾的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)研制了一种高灵敏度的皮拉尼真空传感器，其利用恒温输出电路和温度补偿技术有效地抑制了周围的温度漂移，使得其测量范围得到了很大的拓展，达到(13.3～1.33)×10-5Pa。
薄膜式真空传感器的工作原理是敏感薄膜与一个与之平行的电极组成平板电容，当外界真空度发生变化时，敏感薄膜就会感应并发生形变，从而使得平板电容的电容大小发生变化，通过测量这个电容的变化可计算出真空度的大小。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传感器正是基于该原理，不过受当时技术所限，测量范围相当有限。后来又有许多相关的研究在进行，浙江大学的王跃林和日本的M.Esashi等(王跃林，M.Esashi..新型力平衡微机械真空传感器研究.真空科学与技术，1999，19(4)304-311)研制了一种力平衡式的薄膜微型真空传感器，大大拓展了薄膜式微型真空计的测量范围，而且极大地提高了其灵敏度。
谐振式真空传感器的工作原理就是根据气体分子的阻尼作用，在不同的真空度下振动物体的共振频率不同，通过对频率的变化的测量间接测量出真空度。1999年浙江大学的金心宇等(金心宇，张昱，周绮敏，等.硅微机械谐振传感器稳幅真空计的研究.仪表技术与传感器，199914-16)研制了一种新型的硅微机械谐振真空传感器，该硅微机械谐振真空传感器是以在单晶硅片上通过各向异性腐蚀形成的悬臂梁作为谐振子，以悬臂梁自由端的质量块底面为上电极，以硅-硅直接键合的衬底硅片为下电极，组成静电激励器，而在悬臂梁的后部制作有压阻器件，将悬臂梁的震动转换为电阻信号输出。
热传导式的真空传感器受环境温度的影响很大，因此其应用范围大大受限；薄膜式的真空传感器的关键部件密封腔受密封技术和密封失效问题的限制，应用范围也相对受限；谐振式的真空传感器其谐振梁的加工难度大，而且由于谐振频率受环境温度的影响也很大，其应用范围也受到限制。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的微型真空传感器所存在的上述缺点，提供一种具有原理简单可行、受环境影响小、加工工艺成熟简单易于集成等特点，应用范围前景广阔的真空传感器。
本发明设有硅尖阵列发射阴极、金属阳极、玻璃衬底、发射腔体和电极引线。金属阳极溅射在玻璃衬底上，硅尖阵列发射阴极刻蚀在硅片上，刻蚀有硅尖阵列发射阴极的硅片与溅射有金属阳极的玻璃衬底键合在一起形成发射腔体，1对电极引线分别接硅尖阵列发射阴极和金属阳极，电极引线分别由硅片和阳极金属引出外接稳压电源。
硅尖阵列发射阴极用于发射电子；金属阳极用于收集从硅尖阵列发射阴极发射的电子。
本发明的基本工作原理是，利用真空微电子中场发射电流大小随真空度变化的关系，将硅尖阵列作为电子发射源，金属阳极作为电子收集器，在高压电场的作用下，产生场发射电流，通过测量场发射电流的大小来间接测量真空度的大小。由于场发射现象的产生以及发射电流的大小与硅尖的尺寸和阴阳两极间的极间距有关，可以通过硅微加工技术来提高硅尖阵列的一致性和得到较小的硅尖曲率半径，以及可仅数微米的极间距，从而大大提高场发射的性能，能够在较低的电场作用下发生场发射现象。
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例的硅尖阵列发射阴极结构示意图。
图3为图2的俯视放大图。
图4为图2的轴视图。
具体实施例方式
以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。
参见图1和2，本发明实施例设有硅尖阵列发射阴极1、金属阳极2、玻璃衬底3、发射腔体4和1对电极引线5。刻蚀有硅尖阵列发射阴极1的硅片通过阳极硅-玻键合与溅射有金属阳极2的玻璃衬底3键合在一起，硅尖阵列发射阴极1与金属阳极2之间不接触形成发射腔体4，1对电极引线5分别从硅尖阵列发射阴极1和金属阳极2引出与外围电路连接。
将本发明的传感部分(包括硅尖阵列发射阴极1、金属阳极2、玻璃衬底3和发射腔体4)置入需要测量的真空环境中，然后由稳压电源提供电压，通过1对电极引线5将电压加到金属阳极2和硅尖阵列发射阴极1两端。当两端场强达到一定强度时，将会发生场发射现象，由硅尖阵列发射阴极1发射出电子，电子在发射腔体4内传输，最后由金属阳极2收集，形成场发射电流，该发射电流的大小与本发明所在的环境的真空度大小有关，发射电流可通过电流计测量取得，通过计算就可得出真空度的大小。
权利要求
1.真空传感器，其特征在于设有硅尖阵列发射阴极、金属阳极、玻璃衬底、发射腔体和电极引线，金属阳极溅射在玻璃衬底上，硅尖阵列发射阴极刻蚀在硅片上，刻蚀有硅尖阵列发射阴极的硅片与溅射有金属阳极的玻璃衬底键合在一起形成发射腔体，1对电极引线分别接硅尖阵列发射阴极和金属阳极，电极引线分别由硅片和阳极金属引出外接稳压电源。
全文摘要
真空传感器，涉及一种传感器，尤其是涉及一种基于微机电系统(MEMS)技术，利用硅尖阵列的场致发射原理来测量真空度大小的微型真空传感器。提供一种具有原理简单可行、受环境影响小、加工工艺成熟简单易于集成等特点，应用范围前景广阔的真空传感器。设有硅尖阵列发射阴极、金属阳极、玻璃衬底、发射腔体和电极引线。金属阳极溅射在玻璃衬底上，硅尖阵列发射阴极刻蚀在硅片上，刻蚀有硅尖阵列发射阴极的硅片与溅射有金属阳极的玻璃衬底键合在一起形成发射腔体，1对电极引线分别接硅尖阵列发射阴极和金属阳极，电极引线分别由硅片和阳极金属引出外接稳压电源。
文档编号G01L21/00GK101034029SQ20071000860
公开日2007年9月12日 申请日期2007年2月8日 优先权日2007年2月8日
发明者孙道恒, 文尉任, 王凌云 申请人:厦门大学