真空傳感器場發(fā)射真空傳感器

場發(fā)射真空傳感器是采用MEMS加工工藝研制一種新型的基于硅尖陣列場發(fā)射原理的微型真空傳感器。通過理論分析， 確立了該種傳感器中硅尖場發(fā)射電流與真空度的關(guān)系。并利用干法刻蝕工藝， 在硅片上制作了高3.2μm， 曲率半徑小于70nm的200 ×42硅尖陣列。保持陽極與硅尖距離為1μm的情況下， 可以觀察到陽極電壓為10V左右時開始有明顯的場發(fā)射電流。

利用硅尖陣列場發(fā)射電流大小隨真空度變化而變化的現(xiàn)象， 研制了一種基于硅尖陣列場發(fā)射原理的場發(fā)射真空傳感器。利用MEMS加工工藝制作出傳感器樣機， 并搭建測試系統(tǒng)測試其特性。通過實驗發(fā)現(xiàn)， 隨著真空度的提高， 傳感器輸出電流也會隨之增大， 而且真空度越高輸出電流越大， 分辨率、靈敏度越高。

1.傳感器：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常有敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。

①敏感元件是指傳感器中能直接（或響應(yīng)）被測量的部分。

②轉(zhuǎn)換元件指傳感器中能較敏感元件感受（或響應(yīng)）的北側(cè)量轉(zhuǎn)換成是與傳輸和（或）測量的電信號部分。

③當(dāng)輸出為規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)信號時，則稱為變送器。

2. 測量范圍：在允許誤差限內(nèi)被測量值的范圍。

3. 量程：測量范圍上限值和下限值的代數(shù)差。

4. 精確度：被測量的測量結(jié)果與真值間的一致程度。

5. 從復(fù)性：在所有下述條件下，對同一被測的量進行多次連續(xù)測量所得結(jié)果之間的符合程度：

6. 分辨力：傳感器在規(guī)定測量范圍圓可能檢測出的被測量的最小變化量。

7. 閾值：能使傳感器輸出端產(chǎn)生可測變化量的被測量的最小變化量。

8. 零位：使輸出的絕對值為最小的狀態(tài)，例如平衡狀態(tài)。

9. 激勵：為使傳感器正常工作而施加的外部能量（電壓或電流）。

10. 最大激勵：在市內(nèi)條件下，能夠施加到傳感器上的激勵電壓或電流的最大值。

11. 輸入阻抗：在輸出端短路時，傳感器輸入的端測得的阻抗。

12. 輸出：有傳感器產(chǎn)生的與外加被測量成函數(shù)關(guān)系的電量。

13. 輸出阻抗：在輸入端短路時，傳感器輸出端測得的阻抗。

14. 零點輸出：在市內(nèi)條件下，所加被測量為零時傳感器的輸出。

15. 滯后：在規(guī)定的范圍內(nèi)，當(dāng)被測量值增加和減少時，輸出中出現(xiàn)的最大差值。

16. 遲后：輸出信號變化相對于輸入信號變化的時間延遲。

17. 漂移：在一定的時間間隔內(nèi)，傳感器輸出終于被測量無關(guān)的不需要的變化量。

18. 零點漂移：在規(guī)定的時間間隔及室內(nèi)條件下零點輸出時的變化。

19. 靈敏度：傳感器輸出量的增量與相應(yīng)的輸入量增量之比。

20. 靈敏度漂移：由于靈敏度的變化而引起的校準(zhǔn)曲線斜率的變化。

21. 熱靈敏度漂移：由于靈敏度的變化而引起的靈敏度漂移。

22. 熱零點漂移：由于周圍溫度變化而引起的零點漂移。

23. 線性度：校準(zhǔn)曲線與某一規(guī)定只限一致的程度。

24. 菲線性度：校準(zhǔn)曲線與某一規(guī)定直線偏離的程度。

25.長期穩(wěn)定性：傳感器在規(guī)定的時間內(nèi)仍能保持不超過允許誤差的能力。

26. 固有憑率：在無阻力時，傳感器的自由（不加外力）振蕩憑率。

27. 響應(yīng)：輸出時被測量變化的特性。

28. 補償溫度范圍：使傳感器保持量程和規(guī)定極限內(nèi)的零平衡所補償?shù)臏囟确秶?

29. 蠕變：當(dāng)被測量機器多有環(huán)境條件保持恒定時，在規(guī)定時間內(nèi)輸出量的變化。

30. 絕緣電阻：如無其他規(guī)定，指在室溫條件下施加規(guī)定的直流電壓時，從傳感器規(guī)定絕緣部分之間測得的電阻值。

綜合精度： 0.25%FS、0.5%FS輸出信號： 4～20mA(二線制)、0～5V、1～5V、0～10V(三線制)

零點溫漂移： ≤±0.05%FS℃

量程溫度漂移： ≤±0.05%FS℃

補償溫度： 0~70℃

安全過載： 150%FS

極限過載： 200%FS

響應(yīng)時間： 5 mS(上升到90%FS)

負載電阻： 電流輸出型：最大800Ω；電壓輸出型：大于5KΩ

絕緣電阻： 大于2000MΩ (100VDC)

密封等級： IP65

長期穩(wěn)定性能： 0.1%FS/年

振動影響： 在機械振動頻率20Hz～1000Hz內(nèi)，輸出變化小于0.1%FS

電氣接口(信號接口)： 緊線螺母 四芯屏蔽線

機械連接(螺紋接口)： 1/2-20UNF、M14×1.5、M20×1.5、M22×1.5等，其它螺紋可依據(jù)客戶要求設(shè)計

真空傳感器的工作原理是介質(zhì)的壓力直接作用在傳感器的膜片上，使膜片產(chǎn)生與介質(zhì)壓力成正比的微位移，使傳感器的電阻發(fā)生變化，和用電子線路檢測這一變化，并轉(zhuǎn)換輸出一個對應(yīng)于這個壓力的標(biāo)準(zhǔn)信號。

真空傳感器原理

壓阻式真空傳感器的測量部件是一個裝有固態(tài)壓力芯片，該芯片利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，在特定晶面上，采用集成電路工藝技術(shù)擴散成四個等值電阻，組成一個惠斯登電橋，使得形變與橋阻變化形成一一對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)壓力變化時，電橋失去平衡，輸出一個與壓力成正比的電信號，再由感應(yīng)智能芯片進行非線性修正和溫度補償，最終輸出與壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)信號。原理圖如圖1 所示。

壓阻式真空傳感器的測量部件是一個裝有固態(tài)壓力芯片，該芯片利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，在特定晶面上，采用集成電路工藝技術(shù)擴散成四個等值電阻，組成一個惠斯登電橋，使得形變與橋阻變化形成一一對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)壓力變化時，電橋失去平衡，輸出一個與壓力成正比的電信號，再由感應(yīng)智能芯片進行非線性修正和溫度補償，最終輸出與壓力成線性對應(yīng)關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)信號。原理圖如圖2 所示。

真空傳感器理論函數(shù)

壓阻式真空傳感器是壓力變送器的一種，是將需要測量的真空變量轉(zhuǎn)換為可輸出的標(biāo)準(zhǔn)信號，輸出信號與真空變量之間有一定的函數(shù)關(guān)系，主要用于測量過程中真空參數(shù)的測量與控制 。典型的二線制壓阻式真空傳感器的測量范圍0 ～ 100 kPa、工作電壓為12 ～ 36 V，工作電流為4 ～ 20 mA 的標(biāo)準(zhǔn)信號輸出，采用V /I 轉(zhuǎn)換電路且零位可自由遷移。壓阻式真空傳感器輸出信號和真空度的函數(shù)關(guān)系式如公式( 1) ：

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

式中： P'為某一真空狀態(tài)下的示值，kPa； P 為傳感器的滿量程值，kPa； I 為P'真空狀態(tài)下對應(yīng)的輸出電流值，mA。

通過公式( 1) 可以得出某一真空傳感器在測量范圍內(nèi)任意真空度對應(yīng)的理論電流輸出值，為其準(zhǔn)確信號輸出提供參考。

在對真空傳感器校準(zhǔn)時，由于測量誤差是按照測量準(zhǔn)確度等級劃分的，典型的壓阻式真空傳感器

測量誤差和準(zhǔn)確度間的函數(shù)關(guān)系如公式( 2) ：

△A = ( 20 － 4) δP ( 2)

式中： △A 為測量誤差的上下限值； P 為此傳感器的滿量程值，kPa； δ 為某一真空傳感器標(biāo)注的準(zhǔn)確度等級。

準(zhǔn)確度等級是傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)，是一個定性的概念，通過公式( 2) 可以換算出真空傳感器在某一準(zhǔn)確度等級下的測量允許誤差限，可以判斷真空傳感器標(biāo)注的準(zhǔn)確度等級是否正確，如表1 所列。

為了使微型真空傳感器能夠覆蓋粗真空和高真空的測量，本項目提出利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在同一個硅片上加工皮拉尼真空傳感器和熱電離真空傳感器。在理論方面，發(fā)展了氣體導(dǎo)熱的微尺度效應(yīng)，利用分子動力學(xué)方法計算了氣體熱導(dǎo)率與導(dǎo)熱尺度的關(guān)系，氣體熱導(dǎo)率隨導(dǎo)熱尺寸減小而減小。這與其他理論和實驗結(jié)果是一致的，能夠應(yīng)用到皮拉尼傳感器的設(shè)計之中。利用COMSOL多物理場耦合軟件仿真了皮拉尼傳感器和熱電離傳感器的電熱耦合過程以及電子運行軌跡，指導(dǎo)器件的設(shè)計。經(jīng)過多次0.5微米標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的流片，已成功將皮拉尼真空傳感器與熱電離真空傳感器在同一個芯片上完成，突破了工藝上的限制。皮拉尼真空傳感器采用較成熟的微熱板結(jié)構(gòu)，熱電離真空傳感器的結(jié)構(gòu)從鎢加熱絲發(fā)展到鎢的彈簧結(jié)構(gòu)，逐步提高了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及成品率。除了以鎢加熱電阻作為熱電離真空傳感器的發(fā)射極，也探索了利用CMOS工藝加工場發(fā)射電離真空傳感器的可能性。采用以運算放大器為核心的恒電流電路分別為皮拉尼真空傳感器和熱電離真空傳感器提供電流。初步測試結(jié)果顯示，皮拉尼真空傳感器能夠滿足10E-1~10E5 Pa的測量，熱電離真空傳感器響應(yīng)區(qū)間為0.05~0.5 Pa，進一步的測試正在進行中。 2100433B

測量高真空的熱電離傳感器必須搭配測量低真空的皮拉尼傳感器，這需要兩款分立的真空傳感器，因此增加了測試系統(tǒng)的成本和復(fù)雜度。本項目首次提出將皮拉尼傳感器和熱電離傳感器以及信號處理電路利用CMOS工藝在同一個硅片上實現(xiàn)，構(gòu)成一個覆蓋熱電離傳感器和皮拉尼傳感器全范圍的全固態(tài)復(fù)合真空傳感器系統(tǒng)，量程為1.E 5Pa~1.E-6Pa。核心器件包括皮拉尼傳感器的鎢微熱板，熱電離傳感器的鎢電子發(fā)射極和采樣、放大等電路。工藝方面，擬采用0.5微米CMOS工藝，重點研究Post-CMOS工藝，掌握犧牲層腐蝕、鎢電子發(fā)射極的暴露等關(guān)鍵工藝。理論方面，深化皮拉尼傳感器中的微小尺度氣體導(dǎo)熱理論和熱電離傳感器的電熱場及電磁場的分析方法。該傳感器系統(tǒng)具有體積小、重量輕、實現(xiàn)兩款傳感器的無縫銜接等優(yōu)點，除常規(guī)真空測量外，還可用到以微電子封裝為代表的微小體積的真空測量和以深空探測為代表的對真空傳感器重量要求苛刻的領(lǐng)域。