CN111982383B - 一种差压接触式mems电容薄膜真空规 - Google Patents
一种差压接触式mems电容薄膜真空规 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，包括下基底、上基底与盖板，所述盖板上设置测量端进气口，所述上基底设置感压薄膜，且所述上基底的感压薄膜与盖板之间形成测量端腔室，所述上基底的感压薄膜与下基底之间形成参考端腔室，所述下基底的上端面设置固定电极，所述固定电极的上端面设置绝缘层，所述固定电极与绝缘层均位于参考端腔室内，所述上基底上还设置用于引出固定电极的第一引出槽以及用于引出感压薄膜的第二引出槽，所述感压薄膜与下基底上的固定电极、绝缘层组成真空规的敏感电容，电容信号分别由感压薄膜电极的第二引出槽与固定电极的第一引出槽引出，所述测量端腔室与测量端真空环境连通，所述参考端腔室与参考端真空环境连通。
Description
技术领域
本发明涉及机械设计和真空计量的技术领域，特别是一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规。
背景技术
电容式压力传感器具有精度高、线性度好、重复性好、长期稳定性好等特点。它可以测量气体或蒸汽的总压力，测量结果与气体成分和类型无关。基于微机电系统(MEMS)技术的电容式压力传感器由于其小型化、低功耗等优点，近年来得到了迅速发展，并在某些场合逐渐取代了传统的机械式电容式压力传感器。作为压力传感器的一员，电容式膜片压力计(CDG)也正朝着小型化、集成化的方向发展，旨在应用于航空航天、生物医学等有小型化需求的领域。MEMS-CDG在普通模式和接触模式下都有大量的研究工作，有着广泛的应用。然而，低气压限制在10Pa以下的MEMS-CDG并未有类似产品。
有鉴于此，本发明人专门设计了一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，本案由此产生。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供了一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，能够实现1～2000Pa范围相对真空度的测量，具有分段线性的特征，测量分辨率优于0.5Pa；其具体技术方案如下：
一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，包括下基底、上基底以及盖板，所述盖板上设置测量端进气口，所述上基底设置感压薄膜，且所述上基底的感压薄膜与盖板之间形成测量端腔室，所述上基底的感压薄膜与下基底之间形成参考端腔室，所述下基底的上端面设置固定电极，所述固定电极的上端面设置绝缘层，所述固定电极与绝缘层均位于参考端腔室内，所述上基底上还设置用于引出固定电极的第一引出槽以及用于引出感压薄膜的第二引出槽，所述感压薄膜与下基底上的固定电极、绝缘层组成真空规的敏感电容，电容信号分别由感压薄膜电极的第二引出槽与固定电极的第一引出槽引出，所述测量端腔室通过测量端进气口与测量端真空环境连通，所述参考端腔室通过第一引出槽与参考端真空环境连通。
进一步的，所述感压薄膜为正方形结构。
进一步的，所述感压薄膜具有大宽厚比的特点，具体的，其边长与厚度的比值大于400。
进一步的，所述感压薄膜的薄膜边长为3000μm，厚度5μm
进一步的，所述感压薄膜材料为基于浓硼掺杂的单晶硅。
进一步的，所述感压薄膜采用各向异性腐蚀和自停止的工艺制作而成。
进一步的，所述固定电极与绝缘层的材料分别为铝和氧化铝。
进一步的，所述固定电极与绝缘层尺寸小于感压薄膜尺寸。
进一步的，所述感压薄膜与绝缘层之间的间隙小于感压薄膜在测量范围的最大挠度。
进一步的，所述固定电极通过引出电极引出。
进一步的，还包括真空规壳体、温度控制层以及前级电路板；所述真空规壳体上设置参考端进气孔、测量端进气孔以及电极引出孔；所述温度控制层固定在设置于真空规壳体的内侧壁，用于控制真空规工作的温度范围，所述真空规设置于前级电路板上。
进一步的，所述真空规壳体包括下壳体以及上盖，所述下壳体与上盖之间形成一型腔，所述下壳体底部四个角落均设置支撑柱，所述前级电路板设置于四个支撑柱上，所述参考端进气孔、测量端进气孔以及电极引出孔均设置于上盖上，所述测量端进气孔通过一测量连接管与测量端进气口连通，所述参考端进气孔与型腔连通。
本发明的差压接触式MEMS电容薄膜真空规能够实现1～2000Pa范围相对真空度的测量，测量准确度高、线性好、输出的重复性和长期稳定性好，同时具有体积小、重量轻、功耗低、制作工艺与集成电路(IC)兼容，便于集成化批量生产等优点，可以应用于深空探测、风洞实验以及生物医学等对真空测量仪器有小型化要求的领域中；具体的，本发明的有益效果如下：
第一，本发明的感压薄膜为正方形薄膜，其大宽厚比薄膜膜可以增大灵敏度，增大基础电容，减小电容边缘效应的影响；
第二，接触式结构可以防止感压薄膜在高压力作用下受到破坏，提高真空规的测量范围；接触式结构还可以使真空规的测量曲线，即真空度-电容曲线具有分段线性的特点，解决了感压薄膜大挠度变形非线性的问题，提升了真空规的测量性能；
第三，固定电极及绝缘层尺寸略小于感压薄膜尺寸，有效电容为固定电极与感压薄膜正对面积组成的平行板电容器，可以避免感压薄膜边缘应力集中产生的挠度变化不均匀导致的电容变化不规律问题，同时进一步消除电容的边缘效应。提高真空规的测量精度；
第四，本发明将真空规传感器与前级电路封装在一起，通过将真空规与前端处理电路放置的足够接近，来抑制寄生耦合电容对测量的影响，同时使得真空规的结构更紧凑。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
其中：
图1为本发明差压接触式MEMS电容薄膜真空规的结构示意图
图2为本发明差压接触式MEMS电容薄膜真空规的剖视图；
图3为本发明差压接触式MEMS电容薄膜真空规测量时的安装示意图；
图4为本发明差压接触式MEMS电容薄膜真空规测量时的剖视图；
图5为本发明差压接触式MEMS电容薄膜真空规的性能测试的数据图；
图6为本发明差压接触式MEMS电容薄膜真空规重复性测试的数据图之一；
图7为本发明差压接触式MEMS电容薄膜真空规重复性测试的数据图之二；
图8为本发明差压接触式MEMS电容薄膜真空规重复性测试的数据图之三。
标号说明：
10-真空规壳体，11-下壳体，12-上盖，121-测量端进气孔，122-参考端进气孔，123-电极引出孔，20-支撑柱，30-前级电路板，40-连接管，50-温度控制层，60-电容膜薄真空规，61-下基底，62-上基底，621-测量端腔室，622-参考端腔室，623-第一引出槽，624-第二引出槽，63-感压薄膜，64-盖板，641-测量端进气口，65-固定电极，651-引出电极，66-绝缘层。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1至2，是作为本发明的最佳实施例的一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，其中，电容膜薄真空规60包括下基底61、上基底62以及盖板64，盖板64上设置测量端进气口641，上基底62设置感压薄膜63，且上基底62的感压薄膜63与盖板64之间形成测量端腔室621，且盖板64下表面边缘与上基底62上表面边缘之间严格密封，上基底62的感压薄膜63与下基底61之间形成参考端腔室622，下基底61的上端面设置固定电极65，固定电极65的上端面设置绝缘层66，固定电极65与绝缘层66均位于参考端腔室622内，上基底62上还设置用于引出固定电极65的第一引出槽623以及用于引出感压薄膜63的第二引出槽624，具体的，感压薄膜63作为可移动上电极，固定电极65与绝缘层66作为固定的下电极，因此感压薄膜63与下基底61上的固定电极65、绝缘层66组成真空规的敏感电容，电容信号分别由感压薄膜63电极的第二引出槽624与固定电极65的第一引出槽623引出，测量端腔室621通过测量端进气口641与待测真空环境连通，参考端腔室622通过第一引出槽623与参考端真空环境连通；固定电极65通过引出电极651引出。
感压薄膜63为正方形结构；感压薄膜63具有大宽厚比的特点，具体的，其边长与厚度的比值大于400；差压接触式MEMS电容薄膜真空规工作时，测量端真空度大于参考端真空度，则感压薄膜63会受到外界压力作用而产生挠度变形，进而引起敏感电容发生变化，通过测量电容的变化就可以得到测量端与参考端的真空度之差。大宽厚比的薄膜在受到压力作用时，挠度变形大于普通薄膜，真空规中的敏感电容变化也更明显，真空规具有更优的灵敏度。
感压薄膜63材料为基于浓硼掺杂的单晶硅，且采用各向异性腐蚀和自停止的工艺制作而成，由于浓硼掺杂的单晶硅本身为导体，因此不用镀制电极膜层。固定电极65与绝缘层66为边长相等的正方形结构，优选的，固定电极65与绝缘层66尺寸小于感压薄膜63尺寸，两者的材料分别为铝和氧化铝，采用蒸镀或磁控溅射并氧化处理的方式制作在下基底61上，铝为导电材料，与感压薄膜63组成敏感电容，而氧化铝为绝缘材料，防止感压薄膜63与铝电极接触形成短路，本发明实施例中的固定电极65与绝缘层66为一体式结构。
优选的，本发明实施例的感压薄膜的薄膜边长为3000μm，厚度5μm，固定电极65与绝缘层66的边长为2500μm。
感压薄膜63与绝缘层66之间的间隙小于感压薄膜63在测量范围的最大挠度，本实例中感压薄膜63与绝缘层66的间隙为4μm。通过缩小感压薄膜63与绝缘层66间的间隙，使感压薄膜63在受到压力作用未达到极限挠度变形时就接触到绝缘层66，一方面保护了感压薄膜63受到破坏；另一方面，真空度与电容的输出关系曲线出呈现出分段线性，提升了真空规的测量性能。
请参阅图3至图4，本发明实施例还包括真空规壳体10、温度控制层50以及前级电路板30；真空规壳体10上设置参考端进气孔122、测量端进气孔121以及电极引出孔123；温度控制层50固定在设置于真空规壳体10的内侧壁，用于控制真空规工作的温度范围，从而减少因温度变化引起的测量误差；真空规设置于前级电路板30上，一方面前级电路板30为真空规提供支撑；另一方面，将真空规与前端处理电路放置的足够接近，从而抑制寄生耦合电容对测量的影响，同时使得真空规的整体工作结构更紧凑；真空规壳体10包括下壳体11以及上盖12，下壳体11与上盖12之间形成一型腔，下壳体11底部四个角落均设置支撑柱20，前级电路板30设置于四个支撑柱20上，参考端进气孔122、测量端进气孔121以及电极引出孔123均设置于上盖12上，测量端进气孔121通过一测量连接管40与测量端进气口641连通，且密封连接，参考端进气孔122与型腔连通。具体的，采用铝丝压焊的方式实现真空规敏感电容与前级电路板30的电气连接，经过前级电路板30处理的电信号由导线通过上盖12的电极引出孔123传输至上位机进行进一步处理。下壳体11与上盖12之间、上盖12的电极引出孔123采用胶密封的方式保证良好的密封。
本发明MEMS电容薄膜真空规的整体安装示意图如图3、图4所示，具体安装方式为：首先将利用MEMS技术制作而成的真空规固定到前级电路板30上，通过铝丝压焊使敏感电容与前级电路板30实现电气连接，将前级电路板30置于下壳体11中并固定，将前级电路板30输出信号线通过上盖12的电极引出孔123引出，并采用胶密封的方式实现测量端进气口641与上盖12测量端进气孔121的连通和密封，最后对整个真空规壳体10进行密封。
本实施例通过以下参数制得真空规，其中感压薄膜63的薄膜边长为3000μm，厚度5μm，固定电极65与绝缘层66的边长为2500μm，感压薄膜63与绝缘层66的间隙为4μm。
本实例通过搭建真空系统对完成封装的MEMS电容薄膜真空规进行性能测试，其中，低真空系统包括抽气泵、进气针阀和传统的电容薄膜真空计，抽气泵组可以使系统的真空度到达10-1Pa，进气针阀能控制系统中的真空度以一定的速率变化，而传统的电容薄膜真空计组则用来测量真空度的变化，该真空计组经过校准，具有良好的测量精度。高真空系统包括抽气泵组和冷阴极电离规，该抽气泵组可以使系统的真空度维持在10-4Pa量级。高、低真空系统分别与真空规的高、低真空端密封连通。精密LCR测量仪用来测量MEMS电容薄膜真空规中的电容变化。在测试时，首先打开高、低真空系统的抽气泵组，当达到各自要求的真空度时，高真空端维持抽气，低真空度停止抽气并打开针阀对真空系统进气，即可得到1-2000Pa范围内，MEMS电容薄膜真空规中的电容变化，如图5所示，通过图5可知，在真空度每变化0.5Pa，电容变化为9.2fF，因此本发明真空规的分辨率达到0.5Pa。针对此真空规的性能，对其进行重复性测试，3组正、反行程的测量结果分别如图6至图8所示。根据重复性以及迟滞性的计算方法(参考文献：王化祥，张淑英.传感器原理及应用,天津，天津大学出版社，2014.9.pp8-9.)，可以得到测量过程中真空规的重复性为4.91％，真空规的迟滞为3.92％。
综上所述，本发明的有益效果如下：
第一，本发明的感压薄膜为正方形薄膜，其大宽厚比薄膜膜可以增大灵敏度，增大基础电容，减小电容边缘效应的影响。
第二，接触式结构可以防止感压薄膜在高压力作用下受到破坏，提高真空规的测量范围；接触式结构还可以使真空规的测量曲线，即真空度-电容曲线具有分段线性的特点，解决了感压薄膜大挠度变形非线性的问题，提升了真空规的测量性能。
第三，固定电极及绝缘层尺寸略小于感压薄膜尺寸，有效电容为固定电极与感压薄膜正对面积组成的平行板电容器，可以避免感压薄膜边缘应力集中产生的挠度变化不均匀导致的电容变化不规律问题，同时进一步消除电容的边缘效应。提高真空规的测量精度。
第四，本发明将真空规传感器与前级电路封装在一起，通过将真空规与前端处理电路放置的足够接近，来抑制寄生耦合电容对测量的影响，同时使得真空规的结构更紧凑。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，其特征在于，能够实现1~2000Pa范围相对真空度的测量，测量分辨率优于0.5Pa，该真空规采用接触式结构，其包括下基底、上基底以及盖板，所述盖板上设置测量端进气口，所述上基底设置感压薄膜，且所述上基底的感压薄膜与盖板之间形成测量端腔室，所述上基底的感压薄膜与下基底之间形成参考端腔室，所述下基底的上端面设置固定电极，所述固定电极的上端面设置绝缘层，所述固定电极与绝缘层均位于参考端腔室内，所述上基底上还设置用于引出固定电极的第一引出槽以及用于引出感压薄膜的第二引出槽，所述感压薄膜与下基底上的固定电极、绝缘层组成真空规的敏感电容，电容信号分别由感压薄膜电极的第二引出槽与固定电极的第一引出槽引出，所述测量端腔室通过测量端进气口与测量端真空环境连通，所述参考端腔室通过第一引出槽与参考端真空环境连通；所述固定电极与绝缘层为一体式结构，所述固定电极与绝缘层的材料分别为铝和氧化铝，采用蒸镀或磁控溅射并氧化处理的方式制作在下基底上；所述感压薄膜为正方形结构，其边长与厚度的比值大于400。
2.根据权利要求1所述的一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，其特征在于，所述感压薄膜的薄膜边长为3000μm，厚度5μm。
3.根据权利要求1所述的一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，其特征在于，所述感压薄膜材料为基于浓硼掺杂的单晶硅。
4.根据权利要求3所述的一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，其特征在于，所述感压薄膜采用各向异性腐蚀和自停止的工艺制作而成。
5.根据权利要求1所述的一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，其特征在于，所述感压薄膜与绝缘层之间的间隙小于感压薄膜在测量范围的最大挠度。
6.根据权利要求1所述的一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，其特征在于，所述固定电极通过引出电极引出。
7.根据权利要求1所述的一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，其特征在于，还包括真空规壳体、温度控制层以及前级电路板；所述真空规壳体上设置参考端进气孔、测量端进气孔以及电极引出孔；所述温度控制层固定在设置于真空规壳体的内侧壁，用于控制真空规工作的温度范围，所述真空规设置于前级电路板上。
8.根据权利要求7所述的一种差压接触式MEMS电容薄膜真空规，其特征在于，所述真空规壳体包括下壳体以及上盖，所述下壳体与上盖之间形成一型腔，所述下壳体底部四个角落均设置支撑柱，所述前级电路板设置于四个支撑柱上，所述参考端进气孔、测量端进气孔以及电极引出孔均设置于上盖上，所述测量端进气孔通过一测量连接管与测量端进气口连通，所述参考端进气孔与型腔连通。
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| GR01 | Patent grant | ||
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