[发明专利]真空微电子压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种真空微电子压力传感器，它应用的领域为微机械电子(MEMS)领域中的压力传感器制造。

背景技术

真空微电子压力传感器最早于1991年第六届固态传感器和执行器国际会议(InternationalConference on Solid-State Sensors，Actuators and Microsystems)上提出。真空微电子传感器的工作原理是，传感器的阳极相对于传感器的阴极施加正电压，在阴极表面形成加速电场。当阳极弹性膜受压变形时，传感器的阴阳极之间的间距发生变化，阴极表面场强随之改变，从而导致阴极发射电流变化。

中国专利文献1(专利申请号：02204492，专利名称：真空微电子压力传感器)公开了一种真空微电子压力传感器，其结构如图1所示。其传感器的主要特点是：通过加载过载保护环11a，解决了传感器的过载保护和长期稳定性的问题。但是，它的阳极弹性膜3a受到压力时，阳极弹性膜将产生弧型形变，即阳极弹性膜的中间部分形变最大，而越靠近边缘形变越小，如图3所示，导致压力传感器的灵敏度大幅降低。

发明内容

本发明的目的是提供一种真空微电子压力传感器，通过采用一种新的双层膜结构，以克服压力传感器的灵敏度大幅降低的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案在于，一种真空微电子压力传感器，包括：硅微场致发射阴极锥尖阵列9、真空微腔7、绝缘层6、阳极弹性膜3、阳极绝缘保护膜2、引出电极1、过载保护环11、金刚石膜8和绝缘衬底10，其特征在于，在所述阳极弹性膜3朝向真空微腔7一面的中部，有连成一体的阳极活塞膜5及其支撑柱4，且支撑柱4与过载保护环11相对。

所述阳极活塞膜5与真空微腔7的内壁之间具有能使阳极活塞膜5上下自由活动的间隙d。

所述阳极活塞膜5的宽度完全覆盖与其相对的所述硅微场致发射阴极锥尖阵列9，且所述阳极活塞膜5与所述硅微场致发射阴极锥尖阵列9之间的初始间距X₀必须大于静电吸合位移值X_i与期望发射间距X_q之和，即X₀＞(X_i+X_q)。

所述支撑拄4的位置与所述过载保护环11相对应，即支撑拄4的上下分别连于阳极弹性膜3与阳极活塞膜5的中心，过载保护环11位于硅微场致发射阴极锥尖阵列9的中心。

所述阳极活塞膜5及其所述支撑柱4与所述阳极弹性膜3具有相同材料，均为硅。

所述支撑柱4的厚度为5μm±0.5μm，所述阳极活塞膜5的厚度为10μm±0.5μm，所述阳极活塞膜5与所述真空微腔7内壁间的间隙d为5μm±2μm。

有益效果：

本发明根据功能拆分的思想，采用了具有双层膜结构的压力传感器，与常规的真空微电子压力传感器相比，本发明的真空微电子压力传感器具有以下特点：

1.本发明结构的双层膜的结构使得传感器的阳极弹性膜功能被拆分，即它含有阳极弹性膜(以其中间位置的最大形变量来反映压力变化)和阳极活塞膜(以其整体的平行移动量改变阳极与阴极间距从而改变阴极发射电流)。由于阳极活塞膜与阳极弹性膜相衔接的支撑柱位于阳极弹性膜的中部，此处是阳极弹性膜受压力时弧形形变的形变最大位置，所以此时阳极弹性膜形变量有效值为常规压力传感器的阳极弹性膜形变的最大值，而不是常规真空微电子压力传感器设计中以其弧形形变的积分量作为有效值。场致发射电流J＝AE²e^-B/E，其中，A、B、e为常量，而E＝V/D，可近似认为场致发射电流与阳极活塞膜和阴极锥尖阵列之间的距离成反比。设阳极活塞膜与阴极锥尖阵列间的间距由50μm变化至20μm，阳极活塞膜宽度为1000μm，则可计算出，本发明结构的输出电流变化量是常规结构的输出电流变化量的5倍，因而使本发明的真空微电子压力传感器的灵敏度较之常规的真空微电子压力传感器提高100～300％。

2.本发明结构的支撑柱与过载保护环的相互对应。当过载时，阳极活塞膜受力点位于活塞膜中间与支撑柱连接的部分，将力传到至阳极弹性膜，防止了阳极活塞膜与过载保护环碰触而造成的永久形变，因而十分有利于传感器的长期稳定工作。

附图说明

图1为常规的真空微电子压力传感器的横向剖面结构示意图；

图2为本发明的真空压力微电子传感器的横向剖面结构示意图。

图3为常规的真空微电子压力传感器受压力时的阳极弹性膜弧形形变的示意图。