基于光敏聚酰亚胺衬底层的微型皮拉尼真空计研究

摘要

皮拉尼真空计是利用压强改变电阻周围的热效应，从而由电信号反映发热电阻周围压强的一种气压检测传感器。MEMS加工技术的快速发展，推动着微机械皮拉尼真空计的工艺不断成熟。其中，选择合适的材料制作悬浮平板会是提高皮拉尼真空计性能的关键因素之一，一般微机械皮拉尼真空计的悬浮平板采用二氧化硅、氮化硅、或者两者的复合膜制作而成，制备此类介质薄膜需要专门的沉积设备，而且难以消除薄膜的残余应力，制作成本较高且加工难度大。光敏聚酰亚胺（PSPI）作为一种易于图形化的材料因其化学性质稳定、热稳定性优良、机械性能强以及容易制备等优点，可以很好的充当悬浮薄膜结构，广泛应用于MEMS器件加工当中。
　　本文中涉及的MEMS传感器为微型皮拉尼真空计，该器件结构设计分为四层，分别为硅基底、铝膜层、支撑发热电阻结构的悬浮平板层和发热电阻层。为提高皮拉尼真空计的性能，我在设计中创新性的使用了光敏聚酰亚胺来制作该真空计的悬浮平板薄膜，并依据该皮拉尼真空计的结构特点，设计了详细的加工工艺流程。工艺流程共包括27个步骤，涵盖了旋转涂胶、光刻、镀膜、ICP刻蚀等半导体工艺，在此重点介绍了对电阻制备有较大影响的旋转涂胶工艺以及对悬臂梁有较大影响的ICP刻蚀工艺。最后，基于这种PSPI材料加工出了微型皮拉尼真空计样品。
　　本文中检验真空计电阻和压强对应关系的电路采用的是“四线法”扣除线电阻，并用真空系统提供发热电阻周围的压强环境，最终测出该皮拉尼真空计在1~10Pa的压强范围内可以分辨1Pa气压变化，10~100Pa的压强范围内可以分辨10Pa气压变化，100~500Pa的压强范围内可以分辨100Pa气压变化。
　　本实验成功实现了基于光敏聚酰亚胺做为悬浮平板薄膜的皮拉尼真空计的制作，光敏聚酰亚胺体现出了易于图形化、良好的热稳定性以及稳固的机械性等优点，可推广到所有类似的需要悬浮平板的微机械器件结构之中。

目录

声明

1 绪 论

1.1 引言

1.2 皮拉尼真空计的分类及现状

1.3 本文研究的意义和研究内容

2 结构设计

2.1 皮拉尼真空计结构概述

2.2 皮拉尼真空计工作原理

2.3 皮拉尼真空计设计

2.4 带有隔热槽的PSPI薄膜及皮拉尼真空计的改进

2.5 本章小结

3 结构加工

3.1 皮拉尼真空计加工简介

3.2 皮拉尼真空计的加工

3.3 皮拉尼真空计的改进及其加工工艺

3.4 本章小结

4 皮拉尼真空计的测试

4.1 皮拉尼真空计测量简介

4.2 测量电阻和压强时碰到的问题及设备改进

4.3 本章小结

5 总结和展望

5.1 本文所做内容的总结

5.2 后期改进的展望

致谢

参考文献

附录1 皮拉尼真空计工艺流程

附录2 MATLAB计算程式

附录3 压强和电阻测量数据