基于纳米硅尖场发射的微真空传感器的初步研究

摘要

本文在目前基于场发射原理的真空传感器研究得较少，尚无成熟的、可靠的产品问世的情况下，将MEMS技术和真空微电子技术相结合，提出了一种基于纳米硅尖场发射的微真空传感器原型方案。 基于纳米硅尖场发射的微真空传感器是一种以真空微电子学中的场发射现象作为输出敏感方式，利用MEMS技术制作的，用于测量真空度大小的传感器。其结构简单，具有灵敏度高、信号易检测、易于集成、便于批量化生产等优点，在诸如真空设备、航空航天装置、医疗器械等等需要真空测量的领域中都具有巨大的市场潜力，特别是集成在真空封装的微器件里用作微器件可靠性检测方面，具有广泛的应用前景。 本文的研究工作主要包含以下几个方面： (1)在查阅了大量文献、资料的基础上，提出一种基于纳米硅尖场发射的微真空传感器原型方案； (2)设计场发射真空传感器的结构以及完整的制作工艺流程，并在此基础上，设计与之相配套的掩膜图形，制作实验所需的掩模版；通过实验系统地对传感器的加工工艺进行研究，优化工艺参数，刻蚀出曲率半径达70nm的硅尖阵列，制作出传感器的样机； (3)研究带栅极的硅尖阵列的制备方法，采用自对准技术制备出了孔径约3μm的带栅极硅尖阵列，为场发射真空传感器的进一步研究打下了基础； (4)测试传感器样机在常压下的I-V特性，观察到阳极电压大约在10V左右开始有明显的场发射现象，单尖平均场发射电流可高达8.3μA；搭建测试系统，测试场发射电流的迟滞与衰减现象以及传感器在不同真空度下的输入输出特性，分析得出场发射真空传感器的输出电流与真空度之间的关系式，在10V-15V的输入电压范围内，最大误差不超过10％。

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第一章前 言

1.1微型真空传感器的发展概况

1.2本研究课题的提出背景

1.3本文的研究目标与主要工作

第二章场发射真空传感器的设计

2.1场致发射原理与传感器工作机制

2.2场发射真空传感器的结构设计

2.2.1场发射真空传感器的结构

2.2.2阴极发射材料以及阳极衬底材料的选取

2.2.3硅尖阵列的设计

2.2.4阴阳极间距的设计

第三章场发射真空传感器的制作工艺

3.1工艺流程的设计

3.2掩模图形的设计

3.3阴极硅尖阵列的制作

3.3.1支撑台制作的实验过程

3.3.2硅尖阵列制作的实验过程

3.4金属阳极的制作工艺

3.5键合以及阴极引出电极的制作

3.6带栅极硅尖阵列的制备

3.6.1平面栅极技术带栅极硅尖阵列的制备方法

3.6.2无版光刻技术制备带栅极硅尖阵列

3.6.3自对准技术制备带栅极硅尖阵列

第四章场发射真空传感器的测试与分析

4.1传感器的Ⅰ-Ⅴ特性测试

4.2真空传感器性能测试系统的搭建

4.3场发射电流迟滞与衰减现象测试

4.4不同真空度下的输入-输出特性测试

4.5传感器输出电流与真空度之间的关系

第五章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

硕士期间科研成果