物理尺寸對MEMS皮拉尼真空計性能的影響.pdf

1、真空封裝是很多MEMS器件正常工作和提高器件性能的必要保障,因此微型真空腔體的氣壓值測量和檢測就成為一項重要的研究課題。MEMS皮拉尼真空計不僅具有靈敏度高和測量范圍寬等優(yōu)越性能,而且體積小、重量輕、熱響應(yīng)迅速等優(yōu)點,并且采用標(biāo)準(zhǔn)體硅工藝,便于與其它 MEMS器件相集成。本研究小組提出了一種體硅微熱縫隙式MEMS皮拉尼真空計,具有高深寬比、雙熱沉結(jié)構(gòu)等結(jié)構(gòu)特點。本論文設(shè)計并制備了具有不同物理尺寸的 MEMS皮拉尼真空計,包括不同電阻條長

2、度、寬度、厚度以及電阻條和熱沉間隙?；跉怏w熱傳導(dǎo)的微觀原理和詳細(xì)測試實驗,系統(tǒng)分析研究了這些物理尺寸對器件性能的影響。
　　本文分析研究了物理尺寸對加熱體電阻的影響。隨著長度的增加、寬度和厚度的減小,實測電阻均大幅度地增加。大長度、小寬度和厚度以及大間隙結(jié)構(gòu)的實測電阻值與設(shè)計值偏差較顯著,這主要是由于光刻、深刻蝕等因素引起的結(jié)構(gòu)尺寸偏差造成的。采用四線法測量電阻,測試分析了硅加熱體的電阻溫度特性。結(jié)果顯示,在室溫至215℃范圍,

3、電阻隨溫度上升不斷上升,其中在120℃以上,表現(xiàn)出良好的線性。
　　本文測量了器件在不同真空度下的溫度響應(yīng)時間。在1.275mA的小電流下,在全氣壓范圍內(nèi),除寬度為10μm和15μm的器件,其它器件的加熱體溫度在10秒內(nèi)即可穩(wěn)定。寬度為10μm和15μm的器件,僅在10-3Pa下需要30s達(dá)到溫度穩(wěn)定,而在其它氣壓下,也僅需10s以內(nèi)。說明MEMS皮拉尼真空計具有快速響應(yīng)的特點。
　　本文對標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)器件的真空度傳感性能進(jìn)行了

4、詳細(xì)測試分析。在2Pa至55.14Pa區(qū)間,電阻隨氣壓降低而顯著增加,形成高靈敏傳感區(qū),其靈敏度SmH為259.23Ω/In(Pa)。在0.021Pa至2Pa區(qū)間,電阻隨氣壓降低而持續(xù)增加,形成低靈敏傳感區(qū),其靈敏度SmL為125.00Ω/In(Pa)。當(dāng)氣壓小于0.021Pa時,電阻值增長緩慢,但仍具有一定的線性度,此段的平均靈敏度為19.87Ω/In(Pa)。當(dāng)氣壓高于100Pa時,靈敏度很低。因此,標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)器件的測量范圍為0.02

5、1Pa至55.14Pa。
　　本論文系統(tǒng)研究了不同物理尺寸對于器件真空度傳感性能的影響。結(jié)果顯示,增加長度、減小寬度和厚度均可顯著提升器件在測量范圍內(nèi)的靈敏度,其中減小寬度和厚度的提升效果更加明顯。與標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)器件相比,將寬度減小40％,器件的SmL和SmH分別增加了198.5％和165.5％;將厚度減小50％,器件的 SmL和 SmH分別增加了118.8％和101.0％。隨著電阻條與熱沉間隙的改變,器件測量范圍基本沒有變化。但是可