基于CMOS工艺的复合真空传感器系统研究

为了使微型真空传感器能够覆盖粗真空和高真空的测量，本项目提出利用标准CMOS工艺在同一个硅片上加工皮拉尼真空传感器和热电离真空传感器。在理论方面，发展了气体导热的微尺度效应，利用分子动力学方法计算了气体热导率与导热尺度的关系，气体热导率随导热尺寸减小而减小。这与其他理论和实验结果是一致的，能够应用到皮拉尼传感器的设计之中。利用COMSOL多物理场耦合软件仿真了皮拉尼传感器和热电离传感器的电热耦合过程以及电子运行轨迹，指导器件的设计。经过多次0.5微米标准CMOS工艺的流片，已成功将皮拉尼真空传感器与热电离真空传感器在同一个芯片上完成，突破了工艺上的限制。皮拉尼真空传感器采用较成熟的微热板结构，热电离真空传感器的结构从钨加热丝发展到钨的弹簧结构，逐步提高了结构的稳定性及成品率。除了以钨加热电阻作为热电离真空传感器的发射极，也探索了利用CMOS工艺加工场发射电离真空传感器的可能性。采用以运算放大器为核心的恒电流电路分别为皮拉尼真空传感器和热电离真空传感器提供电流。初步测试结果显示，皮拉尼真空传感器能够满足10E-1~10E5 Pa的测量，热电离真空传感器响应区间为0.05~0.5 Pa，进一步的测试正在进行中。 2100433B

测量高真空的热电离传感器必须搭配测量低真空的皮拉尼传感器，这需要两款分立的真空传感器，因此增加了测试系统的成本和复杂度。本项目首次提出将皮拉尼传感器和热电离传感器以及信号处理电路利用CMOS工艺在同一个硅片上实现，构成一个覆盖热电离传感器和皮拉尼传感器全范围的全固态复合真空传感器系统，量程为1.E 5Pa~1.E-6Pa。核心器件包括皮拉尼传感器的钨微热板，热电离传感器的钨电子发射极和采样、放大等电路。工艺方面，拟采用0.5微米CMOS工艺，重点研究Post-CMOS工艺，掌握牺牲层腐蚀、钨电子发射极的暴露等关键工艺。理论方面，深化皮拉尼传感器中的微小尺度气体导热理论和热电离传感器的电热场及电磁场的分析方法。该传感器系统具有体积小、重量轻、实现两款传感器的无缝衔接等优点，除常规真空测量外，还可用到以微电子封装为代表的微小体积的真空测量和以深空探测为代表的对真空传感器重量要求苛刻的领域。

场发射真空传感器是采用MEMS加工工艺研制一种新型的基于硅尖阵列场发射原理的微型真空传感器。通过理论分析， 确立了该种传感器中硅尖场发射电流与真空度的关系。并利用干法刻蚀工艺， 在硅片上制作了高3.2μm， 曲率半径小于70nm的200 ×42硅尖阵列。保持阳极与硅尖距离为1μm的情况下， 可以观察到阳极电压为10V左右时开始有明显的场发射电流。

利用硅尖阵列场发射电流大小随真空度变化而变化的现象， 研制了一种基于硅尖阵列场发射原理的场发射真空传感器。利用MEMS加工工艺制作出传感器样机， 并搭建测试系统测试其特性。通过实验发现， 随着真空度的提高， 传感器输出电流也会随之增大， 而且真空度越高输出电流越大， 分辨率、灵敏度越高。

真空传感器原理

压阻式真空传感器的测量部件是一个装有固态压力芯片，该芯片利用半导体材料的压阻效应，在特定晶面上，采用集成电路工艺技术扩散成四个等值电阻，组成一个惠斯登电桥，使得形变与桥阻变化形成一一对应关系，当压力变化时，电桥失去平衡，输出一个与压力成正比的电信号，再由感应智能芯片进行非线性修正和温度补偿，最终输出与压力成线性对应关系的标准信号。原理图如图1 所示。

压阻式真空传感器的测量部件是一个装有固态压力芯片，该芯片利用半导体材料的压阻效应，在特定晶面上，采用集成电路工艺技术扩散成四个等值电阻，组成一个惠斯登电桥，使得形变与桥阻变化形成一一对应关系，当压力变化时，电桥失去平衡，输出一个与压力成正比的电信号，再由感应智能芯片进行非线性修正和温度补偿，最终输出与压力成线性对应关系的标准信号。原理图如图2 所示。

真空传感器理论函数

压阻式真空传感器是压力变送器的一种，是将需要测量的真空变量转换为可输出的标准信号，输出信号与真空变量之间有一定的函数关系，主要用于测量过程中真空参数的测量与控制 。典型的二线制压阻式真空传感器的测量范围0 ～ 100 kPa、工作电压为12 ～ 36 V，工作电流为4 ～ 20 mA 的标准信号输出，采用V /I 转换电路且零位可自由迁移。压阻式真空传感器输出信号和真空度的函数关系式如公式( 1) ：

I = 4 ( 20 - 4) P' ( 1)

式中： P'为某一真空状态下的示值，kPa； P 为传感器的满量程值，kPa； I 为P'真空状态下对应的输出电流值，mA。

通过公式( 1) 可以得出某一真空传感器在测量范围内任意真空度对应的理论电流输出值，为其准确信号输出提供参考。

在对真空传感器校准时，由于测量误差是按照测量准确度等级划分的，典型的压阻式真空传感器

测量误差和准确度间的函数关系如公式( 2) ：

△A = ( 20 － 4) δP ( 2)

式中： △A 为测量误差的上下限值； P 为此传感器的满量程值，kPa； δ 为某一真空传感器标注的准确度等级。

准确度等级是传感器的主要技术指标，是一个定性的概念，通过公式( 2) 可以换算出真空传感器在某一准确度等级下的测量允许误差限，可以判断真空传感器标注的准确度等级是否正确，如表1 所列。