物理尺寸对MEMS皮拉尼真空计性能的影响

【摘要】真空封装是很多MEMS器件正常工作和提高器件性能的必要保障，因此微型真空腔体的气压值测量和检测就成为一项重要的研究课题。MEMS皮拉尼真空计不仅具有灵敏度高和测量范围宽等优越性能，而且体积小、重量轻、热响应迅速等优点，并且采用标准体硅工艺，便于与其它MEMS器件相集成。本研究小组提出了一种体硅微热缝隙式MEMS皮拉尼真空计，具有高深宽比、双热沉结构等结构特点。本论文设计并制备了具有不同物理尺寸的MEMS皮拉尼真空计，包括不同电阻条长度、宽度、厚度以及电阻条和热沉间隙。基于气体热传导的微观原理和详细测试实验，系统分析研究了这些物理尺寸对器件性能的影响。本文分析研究了物理尺寸对加热体电阻的影响。随着长度的增加、宽度和厚度的减小，实测电阻均大幅度地增加。大长度、小宽度和厚度以及大间隙结构的实测电阻值与设计值偏差较显著，这主要是由于光刻、深刻蚀等因素引起的结构尺寸偏差造成的。采用四线法测量电阻，测试分析了硅加热体的电阻温度特性。结果显示，在室温至215℃范围，电阻随温度上升不断上升，其中在120℃以上，表现出良好的线性。本文测量了器件在不同真空度下的温度响应时间。在1.275mA的小电流下，在全气压范围内，除宽度为10μm和15μm的器件，其它器件的加热体温度在10秒内即可稳定。宽度为10μm和15μm的器件，仅在10-3Pa下需要30s达到温度稳定，而在其它气压下，也仅需10s以内。说明MEMS皮拉尼真空计具有快速响应的特点。本文对标准结构器件的真空度传感性能进行了详细测试分析。在2Pa至55.14Pa区间，电阻随气压降低而显著增加，形成高灵敏传感区，其灵敏度SmH为259.23Ω/In(Pa)。在0.021Pa至2Pa区间，电阻随气压降低而持续增加，形成低灵敏传感区，其灵敏度SmL为125.00Ω/In(Pa)。当气压小于0.021Pa时，电阻值增长缓慢，但仍具有一定的线性度，此段的平均灵敏度为19.87Ω/In(Pa)。当气压高于100Pa时，灵敏度很低。因此，标准结构器件的测量范围为0.021Pa至55.14Pa。本论文系统研究了不同物理尺寸对于器件真空度传感性能的影响。结果显示，增加长度、减小宽度和厚度均可显著提升器件在测量范围内的灵敏度，其中减小宽度和厚度的提升效果更加明显。与标准结构器件相比，将宽度减小40%，器件的SmL和SmH分别增加了198.5%和165.5%；将厚度减小50%，器件的SmL和SmH分别增加了118.8%和101.0%。随着电阻条与热沉间隙的改变，器件测量范围基本没有变化。但是可以通过缩短长度和增大加载功率来获得更宽的传感范围。
【作者】张煜；
【导师】石云波；张锦文；
【作者基本信息】中北大学，电子与通信工程，2014，硕士
【关键词】MEMS皮拉尼真空计；硅电阻温度关系；真空性能测试；物理尺寸的影响；

【参考文献】
[1]曹晓军.当前社会转型时期我国弱势群体政治参与研究[D].山西师范大学,政治学理论,2014,硕士.
[2]刘媛媛.基于多源SAR数据的时间序列InSAR地表形变监测研究[D].长安大学,摄影测量与遥感,2014,硕士.
[3]曹丹.李腾芳的《说庄》研究[D].华东师范大学,古代文学,2013,硕士.
[4]俞磊,陆阳,朱晓玲,冯琳.物联网技术在医疗领域的研究进展[J].计算机应用研究,2012,01:1-7.
[5]王丹.水杨酸对水分胁迫下草莓叶片生理生化特性的影响[D].江苏师范大学,植物学,2013,硕士.
[6]贺大银.非甾体抗炎药用于术后镇痛的临床研究[D].第四军医大学,麻醉学,2004,硕士.
[7]柴金莲.生态翻译学视角下的报刊新闻汉英翻译研究[D].新疆大学,英语语言文学,2013,硕士.
[8]王依.河北音乐广播官方微博营销策略研究[D].河北大学,新闻与传播,2014,硕士.
[9]李丽.规则变化对竞技健美操成套动作编排的影响及对策研究[D].西安体育学院,体育教育训练学,2013,硕士.
[10]杜娟.在校女大学生月经先期与中医体质及相关因素调查分析[D].黑龙江中医药大学,中医学（专业学位）,2013,硕士.
[11]王晨.Roekoseal根管充填糊剂根尖封闭性能的实验研究[D].大连医科大学,口腔医学,2012,硕士.
[12]丁海燕,温丹妮,王苗全,钱海丰.水稻抗铝机制的研究进展[J].生命科学,2013,05:532-537.
[13]王良平.和谐教育思想理论探讨及其在高等学校的应用研究[D].合肥工业大学,马克思主义理论与思想政治教育,2004,硕士.
[14]张金金.城市道路交通行程时间预测算法研究及软件实现[D].北方工业大学,检测技术与自动化装置,2014,硕士.
[15]范文义,张海玉,于颖,毛学刚,杨金明.三种森林生物量估测模型的比较分析[J].植物生态学报,2011,04:402-410.
[16]唐征海,曾春芳,郭宝春,贾德民.石墨烯超分子离子液体的制备与研究[A].广东省材料研究学会、广东省工业技术研究院.2013广东材料发展论坛——战略性新兴产业发展与新材料科技创新研讨会论文摘要集[C].广东省材料研究学会、广东省工业技术研究院:,2013:1.
[17]杨梦娟.形变热处理对镍基带立方织构的影响[D].重庆大学,材料工程（专业学位）,2014,硕士.
[18]田来,陈昊,彭金方,曹飞,刘建华,宋川,朱旻昊.40CrNi2MoA合金钢的弯曲微动疲劳特性[J].润滑与密封,2014,06:14-18.
[19]曾莉,刁奇志.石墨烯修饰的电化学免疫传感器在肿瘤标志物检测中的应用[J].检验医学与临床,2015,09:1314-1315+1338.
[20]何莉莉.厄贝沙坦对糖尿病胃轻瘫大鼠瘦素及胃微血管病变的影响[D].河北医科大学,中西医结合临床,2014,硕士.
[21]韩燕.基于压缩感知的合成孔径雷达动目标检测方法研究[D].西安电子科技大学,信号与信息处理,2012,硕士.
[22]董春艳.镁合金无铬钝化工艺及性能研究[D].沈阳理工大学,应用化学,2012,硕士.
[23]董雅洁.FTA原产地规则的贸易阻碍效应研究[D].兰州商学院,国际贸易学,2014,硕士.
[24]刘站站.聚合物共价修饰石墨烯的研究[D].华东理工大学,材料科学与工程,2014,硕士.
[25]邢明泉.基于《绿色建筑评价标准》的建筑设计模式研究[D].浙江大学,2008.
[26]徐锦超.电动汽车动力电池实时在线监测系统及SOC估计[D].广东工业大学,控制工程（专业学位）,2014,硕士.
[27]徐辉林.多相平衡的状态方程一步算法研究[D].清华大学,化学工程,2001,硕士.
[28]赵宝辉.超支化聚合物合成、表征及其对聚氯乙烯改性研究[D].河北大学,高分子化学与物理,2003,硕士.
[29]张精明,闫建强,王福民.EGM2008地球重力场模型精度分析与评价[J].石油地球物理勘探,2010,S1:230-233+240+260.
[30]李晶.汉语比较结构“越……越……”的语义特征研究[D].四川外国语大学,外国语言学及应用语言学,2014,硕士.
[31]李华静.氧化石墨烯的合成及组装[J].咸阳师范学院学报,2012,02:31-34.
[32]陈志杰.基于低碳视角的住宅项目实物期权决策研究[D].辽宁工程技术大学,管理科学与工程,2012,硕士.
[33]王晓龙.P53基因Arg72Pro单核苷酸多态性与青海地区胃癌易感性的相关性分析[D].青海大学,外科学,2013,硕士.
[34]黄哲轩.基于人性化步行系统的商业综合体公共空间研究[D].华南理工大学,建筑学（专业学位）,2012,硕士.
[35]仪秋雪.派遣劳工权益保护法律问题研究[D].山东大学,法律（专业学位）,2013,硕士.
[36]孟俊.猪粪堆制、热解过程中重金属形态变化及其产物的应用[D].浙江大学,土壤学,2014,博士.
[37].2009年度浙江省重点科技创新团队[J].今日科技,2012,05:39.
[38]赵冬.内部控制缺陷披露与盈余质量的实证研究[D].首都经济贸易大学,会计学,2013,硕士.
[39]边立娴.关于计算机字符识别问题的研究[D].河北科技大学,通信与信息系统,2013,硕士.
[40]周昭伟,蔡宏彬,江崇华,袁相启,赵有明,高大华.9%Ni钢焊接熔合区氢致裂纹的研究[J].焊接学报.1989(01)
[41]杨建华.山东光岳转向节总厂营销战略研究[D].大连理工大学,工商管理,2003,硕士.
[42]易桃利.有限责任公司股权外部转让限制条件研究[D].广东财经大学,法律（专业学位）,2014,硕士.
[43]陈运涛.关于客户关系管理系统的实现[J].中国质量,2002,08:8-11.
[44]李红光.X公司薪酬方案设计研究[D].东北财经大学,企业管理,2003,硕士.
[45]任万明.论我国农药行政管理[D].吉林大学,政治学理论,2004,硕士.
[46]田智祥.大众文化语境中的金庸武侠小说[D].山东师范大学,文艺学,2003,硕士.
[47]徐立天.重庆市综合地理区划研究[D].西南大学,自然地理学,2013,硕士.
[48]张博华.高盐稀态酱油中主要风味物质的研究[D].天津科技大学,营养与食品卫生学,2010,硕士.
[49]孟哲.不同专业背景下高中化学教师学科教学知识的比较研究[D].东北师范大学,学科教学,2012,硕士.
[50]吕相权.吉林省东晋煤矿生态环境评估与恢复方案设计研究[D].吉林大学,环境工程,2013,硕士.