基于MEMS的皮拉尼真空压力计研究

发布时间：2017-03-31 17:13

  本文关键词：基于MEMS的皮拉尼真空压力计研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：微机电系统(MEMS)皮拉尼(Pirani)真空压力计是一种基于微纳结构的热传导式真空压力测量装置,它通过皮拉尼效应和热电耦合原理能够实现真空环境的压力监测。与传统的真空压力计相比,微机电皮拉尼计不仅体积小、能耗低、工作温度低,还具有热反应时间快、测量范围广的优点,对微型皮拉尼计的研究具有重要的科学价值和工程应用价值。本文在调研了微机电皮拉尼真空压力的测量工作原理、相关理论背景及国内外研究发展动态的基础上,针对一种氮化硅(Si3N4)薄膜结构的皮拉尼真空计开展重点研究,旨在运用氮化硅薄膜结构,获得高性能皮拉尼真空气压计。提出并设计了一种氮化硅薄膜结构皮拉尼真空计,在分析了皮拉尼真空计的工作原理及真空气体导热模型的基础上,建立了真空计的热电耦合模型,分析了器件物理尺寸的变化对器件的性能参数的影响。设计了MEMS皮拉尼真空气压计的微细加工工艺流程,并完成了真空计敏感器件的4寸硅片圆片级工艺规模制作,获得了高质量的皮拉尼真空计敏感元件,最高敏感度为2.578Ω/lg(Pa),能够测量0.107-74.12Pa的气压。针对难点工艺,镂空正反面对准光刻显影技术、氮化硅干法刻蚀技术展开了重点研究,经过多次工艺尝试,总结出了一系列工艺参数,为制作高性能的微机电皮拉尼真空计奠定了基础。搭建了真空测试环境,对器件的性能进行了测试。分别分析了器件结构中发热板的宽度尺寸变化、相邻发热板的间隙变化和增加薄膜上镂空结构对器件性能的影响。结果显示,将发热板的宽度由20gm减小至10μm能够提高器件的灵敏度；将发热板间隙由20μm减小至10μm能够小幅提高器件的灵敏度,不能够改变器件的测量下限；增加氮化硅薄膜上的镂空结构能够将器件的测量下限向更高真空度气压拓展。
【关键词】：微机电系统(MEMS) 皮拉尼计 真空气压测量
【学位授予单位】：北方工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB77
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-22
• 1.1 引言8-9
• 1.2 MEMS真空气压计及其分类9-11
• 1.3 MEMS皮拉尼真空传感器及其研究进展11-20
• 1.3.1 MEMS皮拉尼传感器的结构分类11-13
• 1.3.2 国际研究进展13-16
• 1.3.3 国内研究进展16-20
• 1.4 本论文的研究意义及研究内容20-22
• 1.4.1 研究意义20-21
• 1.4.2 主要研究内容21-22
• 第二章 理论分析22-27
• 2.1 引言22
• 2.2 微尺度下真空气体传热模型22-23
• 2.3 器件热力学性能分析23-25
• 2.4 本章小结25-27
• 第三章 器件设计及制备27-41
• 3.1 引言27
• 3.2 器件综合设计27-29
• 3.2.1 结构设计27-28
• 3.2.2 材料选择28-29
• 3.3 器件工艺流程设计29-32
• 3.4 掩膜板版图设计32-34
• 3.5 器件工艺流片34-40
• 3.5.1 光刻工艺34-35
• 3.5.2 氮化硅干法刻蚀35-38
• 3.5.3 硅湿法腐蚀38-39
• 3.5.4 金属腐蚀工艺39-40
• 3.6 本章小结40-41
• 第四章 器件性能测试与结果分析41-57
• 4.1 引言41
• 4.2 测试平台的搭建41-44
• 4.3 测试与结果分析44-56
• 4.3.1 常压下加热丝阻值测量45-47
• 4.3.2 器件的气压-阻值关系曲线测试47-50
• 4.3.3 器件的线性度计算50
• 4.3.4 发热板宽度对器件传感性能的影响50-51
• 4.3.5 发热板间隙对器件传感性能的影响51-53
• 4.3.6 镂空结构对器件传感性能的影响53-55
• 4.3.7 器件重复性测试55-56
• 4.4 本章小结56-57
• 第五章 研究总结与工作展望57-59
• 5.1 本论文完成的主要工作57-58
• 5.2 存在的问题以及工作展望58-59
• 参考文献59-65
• 在学期间的研究成果65-66
• 致谢66

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本文编号：279890