面向MEMS真空封装的3D纳米支架基吸气剂的制备和性能研究

发布时间：2020-08-28 00:37

【摘要】：吸气剂是维持真空封装型MEMS器件真空度水平以提升其性能和长期稳定性的重要组成单元。现有的薄膜吸气剂低容量、不可调控的吸气性能及长时间先激活的封装方式制约了 MEMS器件的批量化制备。本文针对吸气剂吸气性能的优化和可调控激活的应用需求,提出了利用3D纳米支架基与微区感应加热激活相结合的原理方案。论文围绕非蒸散型吸气剂测试系统的设计、3D纳米支架制备与形貌调控、3D纳米支架基Ti膜吸气剂的制备、3D纳米支架的传热性能测试与吸气剂的定性分析等方面开展研究,最终获得了具有较高吸气性能与可实现微区感应加热激活的3D纳米支架基吸气剂。主要开展了以下几个部分的工作:(1)提出了基于定容法和定压法的新型复合法吸气剂测试原理,并且据此设计了基于感应加热激活原理的非蒸散型吸气剂测试系统。系统可实现的极限真空度为9.8×10-4Pa,工作压强为4.5×10-1Pa,系统漏率为8.71×10-5Pa.L/s,可实现最小吸气容量为0.01Pa·L,最小吸气速率为10-4 Pa·L/s的吸气剂性能检测。(2)通过定向电结晶和阳极氧化的两种方法,制备了镍基塔状纳米结构和多孔氧化铝结构两种3D纳米支架,并获得了相应的尺寸调控规律。确定镍基塔状结构的底部直径为350～420nm,高度为650～712nm,多孔氧化铝孔洞孔径大小为350nm左右,该两种结构的制备为3D纳米支架基高效能吸气剂的制备奠定了基础。考虑到后续大部分MEMS封装工艺需要在硅基底上进行,因此在硅基底上对上述两种3D纳米支架进行了制备。结合Ti系吸气剂的制备工艺,重点考察了 Ti膜沉积形貌和支架结构之间的配合关系,确定了较为合理的Ti膜沉积厚度。(3)考虑到后续吸气剂的激活,对两种3D纳米支架的感应加热及传热参数进行了研究,获得了 3D纳米支架结构的传热尺度效应,结果表明,由于受声子散射效应强化的影响,微纳米尺度会导致材料的导热系数和热扩散系数下降,该特性有利于吸气剂感应加热激活后的保温和激活过程中的热稳定性。(4)对多孔氧化铝支架、镍基塔状纳米支架与两级镍基塔状纳米支架进行BET比表面积测试,获得其比表面积分别为35.632 m2/g、6.435 m2/g、7.914m2/g,表明本文所制备3D纳米支架基吸气剂具有较高的比表面积,对不同3D纳米支架Ti基吸气剂进行热重分析测试(Thermal Gravimetric Analyzer,TGA),结果表明两级镍基塔状纳米支架基吸气剂吸气性能最佳,吸气量为2.72395mg,吸气速率为6.9×10-4mg/(s·g),而多孔氧化铝支架吸气剂的吸气性能较低。综合对比可知,本文所制备的镍基塔状纳米支架基吸气剂具有较大比表面积和铁磁特性,因而具有优越的吸气性能和可感应加热激活双重优点。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TH-39
【图文】：

产品,智能手机,联网技术,市场应用

（ＲＦＭＥＭＳ）等等［６＿９］。而ＭＥＭＳ产品的种类也是非常丰富，比较典型的ＭＥＭＳ逡逑的产品有ＭＥＭＳ压力传感器、ＭＥＭＳ加速度传感器、ＭＥＭＳ陀螺等等，按用途逡逑可分为ＭＥＭＳ传感器与ＭＥＭＳ执行器［１（）；１１］，如图１．１所示。而在未来，随着物逡逑联网技术的发展，在智能手机和可穿戴式设备中ＭＥＭＳ传感器和制动器的应用逡逑将以数百计［１１；邋１２］。ＭＥＭＳ器件凭借其体积小、高集成度、高精度、低能耗、响逡逑应速度快、性能稳定、生产成本低、高产品附加值和便于批量生产的优点具有广逡逑阔和非常可观的市场应用前景。逡逑Ｓｅｎｓｉｎｇ邋ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ逦Ａｃｔｕａｔｉｎｇ邋ａｐｐｕｃａｔｔｏｎｓ逡逑逦人逦Ｎ邋，逦人逦Ｓ逡逑Ｖｏｉｃｅ邋／逦Ｍｏｔｉｏｎ邋／逦Ｐｒｅｓｓｕｒｅ逦Ｐｒｏｊｅｃｔｉｎｇ邋／逦ＲＦ邋ｒｅｌａｔｅｄ逦Ｍａｎａｇｉｎｇ逦Ｅｍｅｒｇｉｎｇ逡逑Ｓｏｕｎｄ逦ｐｏｓｉｔｉｏｎ逦ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ逦ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ邋Ｌｉｇｈｔ逦ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ逦ｆｌｕｉｄｓ逦ＭＥＭＳ．逡逑？邋Ｓｉｌｉｃｏｎ逦？邋Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅｓ逦．邋ＰｒＭＳｕｒｅ邋？邋Ｍｉｃｒｏ－逦？邋Ｏｓｄｌａｔｏｒｓ／邋？邋Ｉｎｋ．ｊｒｔＭＥＭＳ邋，Ｍ－Ｄ丨ｓｐｌａｙｓ．逡逑分逦Ｃ少露＿逡逑？逦．邋Ａｃｃｅ．ｅｒｏｍｅｔｅｒｓ逦？邋ＲＦ＊ＭＥＭＳ逦？邋Ａｕ＾ｆｏｃｕｓ逡逑▲逦ｓｖ＾ｃｈｅｓ逦？邋Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ邋＆逦ａｃｔｕａｔｏｒｓ逡逑＜Ａ＞逦？邋ＺＬ逦０逡逑一■二二逡逑？逦Ｆｕｓｉｏｎ邋ｓｅｎｓｏｒ逡逑ｃｏｍｂｏｓ邋灥邋Ｓ逦．邋＿ｅｒ

器件性能,真空度

来源,器件,气体,放气

由于器件腔体特征尺寸（０．０１邋ｍｍ３？ｌｃｍ３）的减小，即使是高质量的ＭＥＭＳ逡逑封装工艺，微小的泄漏和内部放气，也将对ＭＥＭＳ器件的寿命和性能产生严重逡逑的影响［２３］。图１．３为器件腔体内的各种气体来源，封装键合工艺过程键合界面的逡逑形成或断裂会发生放气［２４＝６］，这种瞬间放气会导致键合后腔体内气压呈现较大幅逡逑度的回升；ＭＥＭＳ器件材料表面脱气、气体渗透与泄漏，都有可能会使真空腔逡逑体会在一段时间后失去真空环境，甚至达到大气压水平，使得器件失效。逡逑Ｉ，合阴极板p海辈牧希挢澹尥稿义蠐u合放气邋ｌ＾ｒ—＾逦气体泄漏逡逑搖合阳极板逡逑图１．３邋ＭＥＭＳ器件中的气体来源逡逑１．２．３邋ＭＥＭＳ真空封装的研究现状逡逑为了实现ＭＥＭＳ器件的真空封装，克服真空封装中的各种气体来源，长期逡逑保持器件的高真空水平，许多学者开展了相关研究。主要的方法有改进封装结构逡逑与工艺、集成微型真空泵、键合前充分烘烤、采用放气量少的封装工艺或者材料逡逑（如局部加热封装、低温真空封装）以及引入吸气剂等。逡逑在改进封装结构和工艺上，Ｍ．邋Ｍ．邋Ｔｏｒｕｎｂａｌｃｉ［２７］在ＭＥＭＳ器件层上设计垂直逡逑贯通用于沉积吸气剂实现了邋１５０邋ｍｔｏｒｒ的真空封装

【参考文献】