MEMS型電容薄膜真空計研究進(jìn)展

李得天，孫雯君，成永軍，袁征難，曹生珠，高青松

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗室，蘭州 730000）

MEMS型電容薄膜真空計研究進(jìn)展

李得天，孫雯君，成永軍，袁征難，曹生珠，高青松

（蘭州空間技術(shù)物理研究所 真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗室，蘭州 730000）

目前常用的電容薄膜真空計體積大、重量重，不能滿足深空探測、臨近空間探索、戰(zhàn)略武器、戰(zhàn)地醫(yī)療等特殊領(lǐng)域的真空測量需求?；贛EMS技術(shù)的電容薄膜真空計，能夠使傳感器、信號處理和控制電路等結(jié)構(gòu)微型化，突破了傳統(tǒng)電容薄膜真空計外形及質(zhì)量限制，具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成化等優(yōu)點(diǎn)，成為真空測量儀器研究的熱點(diǎn)，能更好地滿足特殊條件下的真空測量需求。文章對MEMS型電容薄膜真空計的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)特點(diǎn)等進(jìn)行了探討研究，并對其發(fā)展前景提出展望。

真空測量；MEMS；電容薄膜真空計

0 引言

電容薄膜真空計是一種利用彈性薄膜在壓差作用下產(chǎn)生位移，引起電極和膜片之間距離的變化，導(dǎo)致電容量發(fā)生改變，通過測量電容的變化，達(dá)到測量壓力目的的真空測量儀器。其具有測量準(zhǔn)確度高、線性好、輸出的重復(fù)性和長期穩(wěn)定性好、能夠測量氣體和蒸氣的全壓力，測量結(jié)果與氣體成分和種類無關(guān)等特點(diǎn)[1]，可作為低真空的參考標(biāo)準(zhǔn)和量值傳遞過程中的傳遞標(biāo)準(zhǔn)。近年來，在半導(dǎo)體、微電子工業(yè)、表面處理工業(yè)、冷凍干燥、等離子體測量等工業(yè)過程控制和航天、航空、高能物理、可控?zé)岷司圩兊燃舛丝茖W(xué)研究領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[2]。使用過程中，可以根據(jù)被測氣體的壓力大小、測量精度要求、使用環(huán)境特點(diǎn)等，選擇不同類型的電容薄膜真空計。但是，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的電容薄膜真空計已經(jīng)難以滿足特定領(lǐng)域精確測量真空度的要求。

在深空探測活動中[3]，探測器攜帶了大量的載荷儀器，要完成多項科研探測任務(wù)，必須考慮探測器及其搭載的電容薄膜真空計的小型化。在風(fēng)洞測量的流體力學(xué)縮模試驗中[4]，需要將通過皮托管得到的微壓差值進(jìn)行準(zhǔn)確測量，并要求使用的電容薄膜真空計具有極小的外形尺寸。在臨近空間探測中，需要對飛艇主氣囊和副氣囊之間的壓差以及各自氣囊內(nèi)氣體壓力進(jìn)行準(zhǔn)確的測量和控制[5-6]，也要求使用的電容薄膜真空計具有較小的質(zhì)量和體積。此外，對于MEMS器件真空封裝過程中的真空度測量、高速飛行器或遠(yuǎn)程超高速導(dǎo)彈的飛行控制、噴氣發(fā)動機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、衛(wèi)星等耐熱腔體和表面各部分的壓力測量、戰(zhàn)地醫(yī)療用呼吸機(jī)的壓力測量[7-9]等領(lǐng)域中的真空測量，都需要用到小型化的電容薄膜真空計。針對上述需求，對基于MEMS技術(shù)的電容薄膜真空計的發(fā)展現(xiàn)狀、技術(shù)和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、性能等進(jìn)行探討研究，并對發(fā)展前景提出展望。

1 傳統(tǒng)電容薄膜真空計

最早的電容薄膜真空計始于上世紀(jì)50年代。1954年，Sapulding介紹了一種最低可測66.7 Pa壓力的差壓型電容薄膜真空計[10]。其后的幾十年里，科技工作者為了拓展電容薄膜真空計的測量下限、提高其測量分辨率、減小測量不確定度，主要針對檢測膜片材料選擇等問題開展了研究工作。

傳統(tǒng)電容薄膜真空計采用的檢測膜片材料包括金屬和陶瓷兩大類。美國MKS公司生產(chǎn)的電容薄膜真空計采用Inconel合金檢測膜片，如圖1所示，傳感器整體質(zhì)量約為1 500 g。膜片具有較好的抗腐蝕性、分辨率和延伸性，美國SETRA公司、上海振太儀表有限公司生產(chǎn)的電容薄膜真空計也采用了類似的材料。

圖1 MKS公司生產(chǎn)的電容薄膜真空計Fig.1 The capacitance diaphragm vacuum gauge produced by MKS

美國INFICON公司生產(chǎn)的電容薄膜真空計采用陶瓷膜片，如圖2所示。真空計整體采用陶瓷材料，具有較好的溫度穩(wěn)定性。

圖2 INFICON公司生產(chǎn)的電容薄膜真空計Fig.2 The capacitance diaphragm vacuum gauge produced by INFICON

2 MEMS型電容薄膜真空計

MEMS技術(shù)的出現(xiàn)，使傳統(tǒng)電容薄膜真空計在檢測膜片材料選擇和結(jié)構(gòu)上有了重大變化。

MEMS型電容薄膜真空計最早是1993年由Hemni等[11]提出的，結(jié)構(gòu)如圖3所示。真空計采用硅薄膜作為檢測膜片，膜片厚度為5～30 μm，面積從1 mm×1 mm到4 mm×4 mm不等。傳感器內(nèi)部形成一個深30 μm的真空腔，腔上下各安放1個鋁電極，電容檢測電路位于同一塊芯片上。在外部壓力作用下，兩個電極之間的間距發(fā)生改變，從而使電容值發(fā)生變化。由于電極間只有30 μm的微小距離，薄膜的變動距離有限，其測量范圍為10～1 000 Pa。

圖3 Hemni提出的MEMS型電容薄膜真空計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The schematic illustration of MEMS-type capacitance diaphragm vacuum gauge introduced by Hemni1.真空腔；2.鋁固定電極；3.吸氣劑；4.玻璃基底；5.硅薄膜上的鋁電極

為了獲得更寬的真空測量范圍，Esashi等[12]提出了一種MEMS型電容薄膜真空計，結(jié)構(gòu)如圖4所示。真空計內(nèi)有2個厚度為5 μm的檢測薄膜，其寬度分別為2 mm和4 mm。真空計利用同一芯片連接不同參數(shù)的檢測膜片，以達(dá)到拓展真空測量范圍的目的，其測量范圍為10～5×104Pa。這種真空計利用的吸氣劑不僅可以維持參考真空腔的真空度，還能夠吸收檢測膜片與下玻璃基底鍵合過程中參考真空腔中的殘留氣體，也進(jìn)一步提高了參考真空腔的真空度。

圖4 Esashi提出的MEMS型電容薄膜真空計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 The schematic illustration of MEMS-type capacitance diaphragm vacuum gauge introduced by Esashi1.吸氣劑；2.固定電極；3.玻璃基底；4.檢測膜片

為了降低硅和玻璃陽極鍵合過程中熱膨脹系數(shù)不同而帶來的零點(diǎn)漂移問題，Calting[13]提出了另一種MEMS型電容薄膜真空計，采用大寬深比的圓形應(yīng)變膜和全硅結(jié)構(gòu)（即應(yīng)變膜和基底通過硅熔融鍵合工藝形成一體），結(jié)構(gòu)如圖5所示。真空計的測量范圍為0～1 000 Pa，靈敏度可以達(dá)到10-2pF/Pa。目前，這種真空計已經(jīng)在火星-96、火星極地著陸者、小獵犬-2等任務(wù)中得到應(yīng)用。

圖5 Calting提出的MEMS型電容薄膜真空計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 The schematic illustration of MEMS-type capacitance diaphragm vacuum gauge introduced by Calting1.檢測膜片；2.鋁電極；3.真空腔；4.硅襯底

為了進(jìn)一步拓寬真空計的測量范圍，中國科學(xué)院的王躍林等[14]提出了基于靜電伺服模型的MEMS型電容薄膜真空計，結(jié)構(gòu)如圖6所示。真空計采用共中間極板的兩個電容器的結(jié)構(gòu)，利用上極板對中間極板的靜電吸引力作用，通過閉環(huán)反饋的模式可拓寬真空計的動態(tài)范圍。

Miyashita等[15]也提出另一種靜電伺服MEMS型電容薄膜真空計，結(jié)構(gòu)如圖7所示，由兩塊玻璃襯底和一個硅感壓薄膜（寬4.2 mm，厚度近7 μm）組成，測量范圍為10～105Pa。真空計采用差比測量法，使位于上基底玻璃上的電極與硅感壓薄膜形成測量電容，下基底玻璃上的電極與硅感壓薄膜形成伺服電容。測量真空度時，氣體壓力使膜片發(fā)生形變，薄膜與上下電極間距同時改變，從而引起上下2個電容值的變化，且變化方向相反。該電容變化值反饋回伺服電路，并啟動調(diào)節(jié)電路恢復(fù)電容的靜電力平衡。這種設(shè)計使薄膜的微小變化也能準(zhǔn)確感知，大幅度提高了測量分辨率。

圖6 王躍林提出的MEMS型電容薄膜真空計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 The schematic illustration of MEMS-type capacitance diaphragm vacuum gauge introduced by Wang Yue-lin1.固定電極；2.檢測膜片；3.吸氣劑；4.參考電極；5.進(jìn)氣口

圖7 Miyashita提出的MEMS型電容薄膜真空計結(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 The schematic illustration of MEMS-type capacitance diaphragm vacuum gauge introduced by Miyashita1.吸氣劑；2.伺服電極；3.參考電極；4.感應(yīng)電極；5.感壓薄膜；6.上基底；7.硅；8.下基底

為了消除寄生電容的影響，Ko等[16]提出在同一個腔中并聯(lián)一個參考電容，可以減小因環(huán)境因素導(dǎo)致的寄生電容影響。為了實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有集成電路制造技術(shù)更好的兼容，Vaisala公司[17-18]將表面微機(jī)械的犧牲層技術(shù)引入MEMS電容真空計的制造中，利用多晶硅充當(dāng)敏感膜。為了解決PN結(jié)在高溫下存在的漏電流問題，Kasten等[19-20]嘗試采用注氧隔離技術(shù)以實(shí)現(xiàn)較低的溫度漂移，提高了測量的分辨率，有效的抑制了電容信號的寄生效應(yīng)。Schrag等[21]采用了與BiCM0S工藝完全兼容的表面微機(jī)械工藝流程進(jìn)行加工，將硅襯底上的場氧化層作為犧牲層進(jìn)行釋放得到多晶敏感膜。

2010年，廈門大學(xué)的霍曉瑋等[22]介紹了一種MEMS型電容薄膜真空計。真空計傳感器主要采p++硅自停止腐蝕技術(shù)和硅-玻璃鍵合技術(shù)制作，形成了硅-玻璃-硅的三明治結(jié)構(gòu)。敏感元件是經(jīng)過濃硼擴(kuò)散的硼硅膜，方形硼硅膜的應(yīng)用使真空計具有更高的靈敏度，等離子刻蝕硼硅膜引出金屬電極的方法使真空計的制作工藝更簡單。這種MEMS型電容薄膜真空計具有結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高等特點(diǎn)，整體尺寸為5.0 mm×6.4 mm，在10-2～10-3Pa范圍內(nèi)電容值與真空度成線性關(guān)系。

3 總結(jié)

基于MEMS技術(shù)的電容薄膜真空計，突破了傳統(tǒng)真空測量儀器外形及質(zhì)量限制，具有體積小、重量輕、功耗低、制作工藝與集成電路（IC）兼容，便于集成化批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，成為電容薄膜真空計研究的熱點(diǎn)之一，能更好的滿足深空探測、臨近空間探索、戰(zhàn)略武器、戰(zhàn)地醫(yī)療等特殊領(lǐng)域的真空測量需求。

經(jīng)過20多年的發(fā)展，MEMS型電容薄膜真空計涌現(xiàn)出多種結(jié)構(gòu)形式。國外針對MEMS型電容薄膜真空計開展了大量研究工作，并已將研制出的測量下限小于10 Pa的MEMS型電容薄膜真空計用于深空探測任務(wù)中。國內(nèi)一些科研院所和高校也開展了MEMS型電容薄膜真空計的仿真模擬計算、工藝探討等，但尚未研制出成熟的可用于真空測量的MEMS型電容薄膜真空計產(chǎn)品，量程小于1 000 Pa的產(chǎn)品更是要依靠國外進(jìn)口。由于電容薄膜真空計存在廣泛的軍事用途，國外長期以來對我國實(shí)行嚴(yán)格的出口審查制度，難以滿足航天、航空、核工業(yè)等國防特殊領(lǐng)域的需求。未來MEMS電容薄膜真空計的發(fā)展必將著眼于提高分辨率、延伸測量下限、提高準(zhǔn)確度等方面，除了借助于功能強(qiáng)大的軟件和日益進(jìn)步的微加工工藝，還需要開展以下關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)：

（1）MEMS型電容薄膜真空計的基礎(chǔ)理論研究。目前，針對MEMS型電容薄膜真空計的研究主要還是依賴經(jīng)驗和反復(fù)試探，完整的微觀尺度下的理論尚未建立，阻礙了MEMS型電容薄膜真空計的進(jìn)一步發(fā)展。因此，需要開展微觀尺度下的基礎(chǔ)理論研究，為MEMS型電容薄膜真空計的發(fā)展提供理論支持；

（2）大寬厚比的平整感壓薄膜研制。感壓薄膜是真空計的核心部件，其幾何尺寸、形狀、變形量等直接決定真空計的測量范圍、分辨率等指標(biāo)，具有大寬厚比的平整感壓薄膜研制是實(shí)現(xiàn)高分辨率MEMS型電容薄膜真空計產(chǎn)品化的關(guān)鍵，需要從仿真分析、工藝實(shí)現(xiàn)等方面開展工作；

（3）參考腔的高真空獲得與維持方法研究。要實(shí)現(xiàn)高分辨率MEMS型電容薄膜真空計分辨率、測量下限等核心技術(shù)指標(biāo)，要求參考腔的真空度至少維持在10-3Pa數(shù)量級以下，需要開展參考腔高真空獲得與維持方法研究，例如納米尺寸吸氣劑的技術(shù)攻關(guān)、感壓薄膜防滲透方法研究等；

（4）MEMS型電容薄膜真空計封裝方法研究。整體封裝是MEMS型電容薄膜真空計走向?qū)嵱玫年P(guān)鍵步驟，其難點(diǎn)在于封裝過程中會引入雜散電容和寄生應(yīng)力，需要在不破壞參考腔真空度的前提下，開展其封裝方法研究，包括電極的引出方法研究等。

[1]洪寶林.力學(xué)計量[M].北京：原子能出版社，2002.

[2]楊鴻嗚，王榮.真空測量技術(shù)發(fā)展溯源[J].真空，2000，36（5）：46-47.

[3]陳昌亞.火星探測技術(shù)的發(fā)展[J].科學(xué)：上海，2009，61（5）：16-19.

[4]王冰，尤彩紅，王文裹.微型及超微型壓力傳感器的開發(fā)[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（S1）：180-181.

[5]王強(qiáng)州，郭頎.平流層驗證飛艇壓力控制系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[C]//2008年中國浮空器大會論文集，2008：171-174.

[6]KunglP，SchlenkerM，WimmerDA，etal.Instrumentationof remote controlled airship“Lotte”for in-flight measurements [J].AerospaceScience&Technology，2004，8（7）：599-610.

[7]張冬至，胡國清，陳昌偉.MEMS高溫壓力傳感器研究與進(jìn)展[J].儀表技術(shù)與傳感器，2009（11）：4-6.

[8]顏重光.MEMS壓力傳感器及其應(yīng)用[J].電子產(chǎn)品世界，2009，16（6）：58-60.

[9]V?lklein F，Meier A.Microstructured vacuum gauges and theirfutureperspectives[J].Vacuum，2007，82（4）：420-430.

[10]粱平，李杰，戴佳鑫，等.真空計的發(fā)展概況與趨勢[J].真空與低溫，2011，17（1）：53-57.

[11]Hemni H，Shooji S，Yosimi K，et al.Transducers’93，In：Seventh internationalconference on solid-state sensors and actuators[C]//Denki-GakkaiProc，1993：584.

[12]Esashi M.Silicon micromachining for integrated microsys?tems[J].Vacuum，1996，47：469-474.

[13]Catling D C.High-sensitivity silicon capacitive sensors for measuring medium-vacuum gas pressures[J].Sensors andActuatorsA：Physical，1998，64（2）：157-164.

[14]Wang Y，Esashi M.The structures for electrostatic servo ca?pacitive vacuum sensors[J].Sensors and Actuators A：Physi?cal，1998，66（1-3）：213-217.

[15]Miyashita H，Esashi M.Wide dynamic range silicon dia?phragm vacuum sensor by electrostatic servo system[J].J Vac Sci&TechnolB，2000，18（6）：2692-2697.

[16]KoWH，BaoMH，HongYD.Ahigh-sensitivityintegratedcircuit capacitive pressure transducer[J].IEEE transactions onelectrondevices，1982，29（1）：48-56.

[17]Dudaicevs H，Kandler M，Manoli Y，et al.Surface microma?chinedpressuresensorswithintegratedCMOSread-outelec?tronics[J].Sensors and Actuators A：Physical，1994，43（1-3）：157-163.

[18]Esashi M，Sugiyama S，Ikeda K，et al.Vacuum-sealed sili? con micromachined pressure sensors[J].Proceedings of the IEEE，1998，86（8）：1627-1639.

[19]TrieuHK，KastenK，MokwaW.Developmentofsurfacemi?cro-machinedpressuresensorsforhightemperatureapplica?tions[C]//FraunhoferIMSannualreport，2006：31-33.

[20]KastenK，AmelungJ，MokwaW.CMOS-compatiblecapaci?tivehightemperaturepressuresensors[J].SensorsandActua?tors，2006，A85：147-152.

[21]SchragG，ZelderG，KapelsH，etal.Numbericalandexperi?mental analysis of distributed electromechanical paracitics in the calibration of a fully BiCMOS-integrated capacitive pressure sensor[J].Sensors and Actuators，2007，A76：31-33.

[22]霍曉瑋，馮勇建，廖澤龍，等.用于真空測量的電容式微型傳感器[J].中國科技成果，2010，11（19）：58-60.

RESEARCH OF MEMS-TYPE CAPACITANCE DIAPHRAGM VACUUM GAUGE

LI De-tian，SUN Wen-jun，CHENG Yong-jun，YUAN Zheng-nan，CAO Sheng-zhu，GAO Qing-song
（Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory，Lanzhou Institute of Physics，Lanzhou 730000，China）

Nowadays，traditional capacitance diaphragm vacuum gauge cannot meet the requirements for vacuum measurement in deep space exploration，near space exploration，strategic weapon，and combat medicine and so on，due to its volume and weight.The capacitance diaphragm vacuum gauge based on MEMS technology has been designed.The sensors and signal processing and controlling circuits can be made into microminiaturization.It has the advantages of volume，weight，power，integration compared with the traditional vacuum gauges.The study on MEMS-type capacitance diaphragm vacuum gauge has become the hot spot in this area.It can meet the requirements for vacuum measurement in the special areas.In the paper，the research status，technical characteristics and prospects of MEMS-type capacitance diaphragm vacuum gauge are described.

vacuum measurement；MEMS；capacitance diaphragm vacuum gauge

TB77

A

1006-7086（2017）02-0063-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2017.02.001