一种MEMS阵列式电容薄膜真空计及其制备方法

一种mems阵列式电容薄膜真空计及其制备方法
技术领域
1.本发明涉及真空测量技术领域，特别涉及一种mems阵列式电容薄膜真空计及其制备方法。


背景技术：

2.mems真空计被广泛应用于真空度检测等领域。mems薄膜真空计是利用弹性薄膜在压力差作用下产生弹性变形的原理而制成的一种直接测量真空计。根据变形量与电信号间的变送方式不同可分为压电式、压阻式和电容式等。电容式薄膜真空计利用压力作用下，薄膜发生形变，从而引起上下电极组成的敏感电容器的电容发生变化，通过外围电路读出电容变化以测量外界真空压力。
3.电容薄膜真空计灵敏度高，响应速度快，但是电容薄膜真空计的设计结构决定了其测量范围一般为跨越四个量级，例如0.01pa-100pa、0.1pa-1000pa。因此，存在量程短的问题。


技术实现要素：

4.为解决上述技术问题，本发明提供了一种mems阵列式电容薄膜真空计及其制备方法，以达到有效拓宽mems电容真空计的量程的目的。
5.为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
6.一种mems阵列式电容薄膜真空计，包括基板和位于基板上的多个mems电容薄膜真空计单元；所述mems电容薄膜真空计单元包括由下而上依次设置的硅衬底、支撑层、硅薄膜层、绝缘层、电极层；所述支撑层中部通过刻蚀形成真空腔；所述电极层位于真空腔上方，所述硅衬底采用p型硅，所述电极层、真空腔与硅衬底构成一可变电容器；所述绝缘层上设置有电极引出焊盘，所述硅衬底上设置有硅衬底引出焊盘，多个mems电容薄膜真空计单元的电极层通过引出线并联到电极引出焊盘，所述硅衬底由硅衬底引出焊盘引出。上述方案中，所述硅薄膜层、支撑层和硅衬底为一片soi晶圆，作为真空计的基板。
7.上述方案中，所述硅薄膜层上位于真空腔上方的区域开设多个刻蚀孔洞，所述刻蚀孔洞内填充有绝缘层的材料。
8.上述方案中，所述支撑层和绝缘层的材料均为二氧化硅。
9.上述方案中，所述支撑层的厚度为1μm；硅薄膜层的直径为1000μm，厚度优选为10μm；硅衬底的厚度为400μm。
10.上述方案中，所述刻蚀孔洞的直径为2-4μm，相邻的刻蚀孔洞之间的间距为10-15μm。
11.上述方案中，所述电极层的材料为金或铂。
12.上述方案中，所述真空腔为圆形腔室。一种mems阵列式电容薄膜真空计的制备方法，包括如下步骤：
13.(1)选用soi晶圆作为基板，采用光刻的方式在soi晶圆正面的硅薄膜层上获得刻
蚀孔洞和硅衬底引出焊盘图形，再采用干法刻蚀得到刻蚀孔洞，并去除硅衬底引出焊盘区域的硅；
14.(2)采用干法刻蚀的方法，通过刻蚀孔洞对soi晶圆中间的二氧化硅层进行腐蚀，形成具有一定直径的真空腔，真空腔两侧的二氧化硅层形成了支撑层，同时去除硅衬底引出焊盘区域的二氧化硅；(3)采用光刻的方式在硅衬底引出焊盘区域留胶，采用pecvd的方法在soi晶圆正面的硅薄膜层上沉积二氧化硅，二氧化硅封堵刻蚀孔洞并在硅薄膜层上形成一层绝缘层；
15.(4)在绝缘层表面进行光刻，获得电极、引出线和焊盘的图形，采用电子束蒸镀的方法在绝缘层上沉积金属层，经过lift-off工艺后形成具有设计形状的电极层、引出线、电极引出焊盘和硅衬底引出焊盘。
16.通过上述技术方案，本发明提供的一种mems阵列式电容薄膜真空计及其制备方法具有如下有益效果：
17.本发明将多个mems电容薄膜真空计单元制作在同一基底上，并将真空计单元之间进行并联连接。基于mems阵列的数量，可以整倍提高真空计的初始电容和灵敏度，有效拓宽mems电容真空计的量程。
附图说明
18.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
19.图1为本发明实施例所公开的一种mems阵列式电容薄膜真空计俯视图；
20.图2为mems电容薄膜真空计单元的剖视图。
21.图中，1、基板；2、mems电容薄膜真空计单元；3、硅衬底；4、支撑层；5、硅薄膜层；6、绝缘层；7、电极层；8、电极引出焊盘；9、硅衬底引出焊盘；10、引出线；11、真空腔；12、刻蚀孔洞。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
23.本发明提供了一种mems阵列式电容薄膜真空计，如图1所示，包括基板1和位于基板1上的多个mems电容薄膜真空计单元2，mems阵列由多个mems电容薄膜真空计单元2并联组成。
24.如图2所示，mems电容薄膜真空计单元2包括由下而上依次设置的硅衬底3、支撑层4、硅薄膜层5、绝缘层6、电极层7，其中，硅薄膜层5、支撑层4和硅衬底3为一片soi晶圆(材质分别为si-sio
2-si)，作为真空计的基板1，绝缘层6和电极层7是在soi晶圆的基础上制备而成。
25.支撑层4的材料为二氧化硅，支撑层4中部通过刻蚀形成真空腔11，真空腔11为圆形腔室，真空腔11由硅衬底3、支撑层4和硅薄膜层5封闭而成。硅薄膜层5上位于真空腔11上方的区域开设多个蜂窝状的刻蚀孔洞12，用于在加工过程中对soi晶圆中的氧化硅层(支撑层4)进行刻蚀，以形成真空腔11，刻蚀后，刻蚀孔洞12内填充有绝缘层6的材料，使真空腔11
处于高真空环境。真空腔11内部压力一般比测量下限低2个数量级，用于给绝压式真空测量提供参考压力，由pecvd沉积的氧化硅材料封堵后，具有很好的密封性，可以为mems电容薄膜真空计提供具有良好密封性的真空腔11。
26.电极层7位于真空腔11上方，电极层7的材料为金、铂或其他导电金属。
27.硅衬底3采用低阻的p型硅，具有良好的导电性，作为该真空计的固定电极。
28.如图1所示，基板1上还设置有电极引出焊盘8和硅衬底引出焊盘9，用于引出电容信号。测量时，外界气压改变引起硅薄膜层5的形变，导致敏感电容发生变化，而变化的电容信号分别由电极引出焊盘8和硅衬底引出焊盘9引出，从而实现真空压力的测量。多个mems电容薄膜真空计单元2的电极层7通过引出线10并联到电极引出焊盘8，硅衬底3通过引出线10并联到硅衬底引出焊盘9。
29.本实施例中，支撑层4的厚度为1μm；硅薄膜层5的直径为1000μm，厚度优选为10μm；硅衬底3厚度为400μm，以防止整体器件因太薄发生破裂。
30.电极层7厚度优选为300nm，引出线10宽度优选为10μm，焊盘的材料为金，焊盘的宽度优选为300μm。
31.本实施例中，绝缘层6的材料为二氧化硅。
32.本实施例中，刻蚀孔洞12的直径为2μm，相邻的刻蚀孔洞12之间的间距为10μm。其主要作用是通入刻蚀soi晶圆中间氧化硅层(支撑层4)的气体，从而刻蚀出真空腔11腔室，并精准控制真空腔11腔室的直径。
33.一种mems阵列式电容薄膜真空计的制备方法，包括如下步骤：
34.(1)选用soi晶圆作为基板，采用光刻的方式在soi晶圆正面的硅薄膜层5上获得刻蚀孔洞12和硅衬底引出焊盘9图形，再采用干法刻蚀得到刻蚀孔洞12，并去除硅衬底引出焊盘9区域的硅；
35.(2)采用干法刻蚀的方法，通过刻蚀孔洞12对soi晶圆中间的二氧化硅层进行腐蚀，形成具有一定直径的真空腔11，真空腔11两侧的二氧化硅层形成了支撑层4，同时去除硅衬底引出焊盘9区域的二氧化硅；(3)采用光刻的方式在硅衬底引出焊盘9区域留胶，采用pecvd的方法在soi晶圆正面的硅薄膜层5上沉积二氧化硅，二氧化硅封堵刻蚀孔洞12并在硅薄膜层5上形成一层绝缘层6；
36.(4)在绝缘层6表面进行光刻，获得电极、引出线10和焊盘的图形，采用电子束蒸镀的方法在绝缘层6上沉积金属层，经过lift-off工艺后形成具有设计形状的电极层7、引出线10、电极引出焊盘8和硅衬底引出焊盘9。
37.具体的，本技术实施例提供的mems阵列式电容薄膜真空计，可以在用于宽量程需求下的气压监测，基于电容真空计单元2的数量拓宽真空计的量程，测量准确度高、线性好、输出的重复性和长期稳定性好，并且，电容式真空计与待测气体的种类无关，便于集成化批量生产，可以应用于深空探测、生物医学等对真空测量仪器有小型化要求的领域中。
38.其中，mems阵列式电容薄膜真空计将多个真空计单元2中的电容并联起来，使得mems阵列式电容薄膜真空计的初始电容和灵敏度整倍于真空计单元2的数量，基于此原理可以将真空计的量程拓宽十倍、百倍，有效改进了电容薄膜真空计量程受限的问题。
39.mems电容薄膜真空计单元2制作在一块soi晶圆基底上，整体上为si-sio
2-si的结构，硅薄膜层5承载着金属电极层7作为可移动的上电极，与p型硅衬底3以及真空腔11组成
真空计单元2的敏感电容。测量时，外界气压改变引起硅薄膜层5的形变，组成的敏感电容整体会发生变化，根据变化的相关情况，实现真空压力的测量。不同的真空计单元2采用相同的制作工艺制成，其初始电容和变化灵敏度可以做到十分相近；电极引出焊盘8用于连接金属电极层7，硅衬底引出焊盘9用于连接p型硅衬底3，同时两焊盘用于将电信号通过金丝键合引出到电路板上。
40.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

技术特征：
1.一种mems阵列式电容薄膜真空计，其特征在于，包括基板和位于基板上的多个mems电容薄膜真空计单元；所述mems电容薄膜真空计单元包括由下而上依次设置的硅衬底、支撑层、硅薄膜层、绝缘层、电极层；所述支撑层中部通过刻蚀形成真空腔；所述电极层位于真空腔上方，所述硅衬底采用p型硅；所述基板上还设置有电极引出焊盘和硅衬底引出焊盘，多个mems电容薄膜真空计单元的电极层通过引出线并联到电极引出焊盘，所述硅衬底由硅衬底引出焊盘引出。2.根据权利要求1所述的一种mems阵列式电容薄膜真空计，其特征在于，所述硅薄膜层、支撑层和硅衬底为一片soi晶圆，作为真空计的基板。3.根据权利要求1所述的一种mems阵列式电容薄膜真空计，其特征在于，所述硅薄膜层上位于真空腔上方的区域开设多个刻蚀孔洞，所述刻蚀孔洞内填充有绝缘层的材料。4.根据权利要求1所述的一种mems阵列式电容薄膜真空计，其特征在于，所述支撑层和绝缘层的材料均为二氧化硅。5.根据权利要求1所述的一种mems阵列式电容薄膜真空计，其特征在于，所述支撑层的厚度为1μm；硅薄膜层的直径为1000μm，厚度优选为10μm；硅衬底厚度为400μm。6.根据权利要求3所述的一种mems阵列式电容薄膜真空计，其特征在于，所述刻蚀孔洞的直径为2-4μm，相邻的刻蚀孔洞之间的间距为10-15μm。7.根据权利要求1所述的一种mems阵列式电容薄膜真空计，其特征在于，所述电极层的材料为金或铂。8.根据权利要求1所述的一种mems阵列式电容薄膜真空计，其特征在于，所述真空腔为圆形腔室。9.一种如权利要求1-8任一所述的mems阵列式电容薄膜真空计的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)选用soi晶圆作为基板，采用光刻的方式在soi晶圆正面的硅薄膜层上获得刻蚀孔洞和硅衬底引出焊盘图形，再采用干法刻蚀得到刻蚀孔洞，并去除硅衬底引出焊盘区域的硅；(2)采用干法刻蚀的方法，通过刻蚀孔洞对soi晶圆中间的二氧化硅层进行腐蚀，形成具有一定直径的真空腔，真空腔两侧的二氧化硅层形成了支撑层，同时去除硅衬底引出焊盘区域的二氧化硅；(3)采用光刻的方式在硅衬底引出焊盘区域留胶，采用pecvd的方法在soi晶圆正面的硅薄膜层上沉积二氧化硅，二氧化硅封堵刻蚀孔洞并在硅薄膜层上形成一层绝缘层；(4)在绝缘层表面进行光刻，获得电极、引出线和焊盘的图形，采用电子束蒸镀的方法在绝缘层上沉积金属层，经过lift-off工艺后形成具有设计形状的电极层、引出线、电极引出焊盘和硅衬底引出焊盘。

技术总结
本发明公开了一种MEMS阵列式电容薄膜真空计及其制备方法，电容薄膜真空计包括基板和位于基板上的多个MEMS电容薄膜真空计单元；所述MEMS电容薄膜真空计单元包括由下而上依次设置的硅衬底、支撑层、硅薄膜层、绝缘层、电极层；所述支撑层中部通过刻蚀形成真空腔；所述电极层位于真空腔上方，所述硅衬底采用p型硅；所述绝缘层上设置有电极引出焊盘，所述硅衬底上设置有硅衬底引出焊盘，多个MEMS电容薄膜真空计单元的电极层通过引出线并联到电极引出焊盘，所述硅衬底由硅衬底引出焊盘引出。本发明所公开的真空计可以整倍提高真空计的初始电容和灵敏度，有效拓宽MEMS电容真空计的量程。程。程。


技术研发人员：陶继方 陈公贤 林玉哲
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/9/22