差压式MEMS电容薄膜真空规的设计与测试

提出了一种基于MEMS技术的差压式电容薄膜真空规设计方案。通过有限元分析软件建立了仿真模型,对感压薄膜尺寸和电极间距离进行了优化。根据优化结果,完成了真空规的研制和性能测试。测试结果表明,测量范围下限5 Pa,上限1 000 Pa,灵敏度优于10 fF/Pa,测试曲线可以实现分段线性。     

采用环形感压薄膜的MEMS电容薄膜真空规设计

感压薄膜的结构改良能有效改善MEMS电容薄膜真空规的压力-电容输出特性。为解决MEMS电容薄膜真空规宽量程与高灵敏度相矛盾的问题,设计一种环形结构的感压薄膜,利用有限元的方法分析对比5种环形结构的感压薄膜在不同压力下的变形与应力分布情况。分析认为,同心圆结构的感压薄膜具有最优异的性能,同等感测面积情况下真空规的压力-电容线性输出测量上限能从圆片结构的1.1×103 Pa延伸到同心圆结构的1.2×104 Pa,圆片结构感压薄膜的真空规在1～800 Pa区间内的压力-电容输出非线性度为3.9%,灵敏度为10.1 fF·Pa–1;同心圆结构感压薄膜的真空规结构在1～8 000 Pa区间内的非线性度为3.6%,灵敏度为1.3 fF·Pa–1。     

金-硅共晶键合技术及其应用

采用金属过渡层来实现硅-硅低温键合,首先介绍了选择钛金作为金属过渡层的原因和金硅共晶键合的基本原理,然后探索了不同键合面积和不同金层厚度对金硅共晶键合质量的影响规律,开展了图形化的硅晶圆和硅盖板之间的低温共晶键合实验研究,获取了最优键合面积的阈值和最优金层厚度.最后将该低温金硅共晶键合技术应用到MEMS器件圆片级封装实验中,实验结果表明较好地实现了MEMS惯性器件的封装强度,但是还存在密封性差的缺陷,需进一步进行实验改进.     

感压膜片预张力对电容薄膜真空规输出特性的影响

电容薄膜真空规中感压膜片在安装时通常须先施加预张力,再固定.为研究感压膜片预张力对电容薄膜真空规输出特性的影响,以现有电容薄膜真空规为对象,基于COMSOL Multiphysics软件,建立有限元模型,得到了不同预张力下输出电容的仿真解,并与理论计算结果进行了比较,分析了预张力对输出电容的影响.同时分析了真空规线性度...     

基于Sn/Bi合金的低温气密性封装工艺研究

研究了采用Sn/Bi合金作为中间层的键合封装技术.通过电镀的方法在基片上形成Cr/Ni/Cu/Sn、芯片上形成Cr/Ni/Cu/Bi多金属层,在513K、150Pa的真空环境中进行共晶键合,键合过程不需使用助焊剂,避免了助焊剂对微器件的污染.实验表明:这种键合工艺具有较好的气密性,键合区合金层分布均匀,无缝隙、气泡等缺陷,键合强度较高,能够满足电子元器件和微机电系统(MEMS)可动部件低温气密性封装的要求.     

数字式电容薄膜绝对压力变送器的设计研发

模拟式电容薄膜式绝对压力变送器(简称电容薄膜规)已在众多领域成为粗、低真空精确测量的市场主流。随着现代化工业的发展,先进的制造业对真空测量的准确度、稳定性和抗干扰能力,提出了更高的要求。针对电容薄膜规原有的技术瓶颈,本文所研究的数字式电容薄膜规,就是一种很好的改进和完善方案,经过现场试验,达到了理想的技术指标要求,验证了本文提出的数字式电容薄膜规的探索是正确的、可行的。     

MEMS型电容薄膜真空计研究进展

目前常用的电容薄膜真空计体积大、重量重,不能满足深空探测、临近空间探索、战略武器、战地医疗等特殊领域的真空测量需求。基于MEMS技术的电容薄膜真空计,能够使传感器、信号处理和控制电路等结构微型化,突破了传统电容薄膜真空计外形及质量限制,具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成化等优点,成为真空测量仪器研究的热点,能更好地满足特殊条件下的真空测量需求。文章对MEMS型电容薄膜真空计的发展现状、技术特点等进行了探讨研究,并对其发展前景提出展望。     

MEMS电容薄膜真空计微电容测量研究进展

MEMS电容薄膜真空计的小型化和整体性能与微电容测量电路密切相关。由于不同领域的应用需求,MEMS电容薄膜真空规管具有不同的敏感电容结构,而相应的微电容测量法也不同。单侧电极微电容测量法电路结构简单,易于实现;双侧电极微电容测量法电路结构较复杂,但该电路可以减小寄生电容及温度的影响而获得高分辨率;静电力平衡式结构下微电容测量法用闭环电路,在高精度测量的同时还能拓宽真空计的动态范围。介绍了测量原理、电路结构及性能,可以看出,具有精度高、功耗低、易集成的特点,能够应用于多种不同类型的MEMS电容式传感器的微小电容测量电路,对今后MEMS应用从航空航天等高精尖领域向人工智能物联网领域的拓展具有重要意义。     

小型电容薄膜真空规的设计

商用电容薄膜真空规存在体积大、重量重等问题,无法满足深空探测中真空测量需求,因此设计了一种小型电容薄膜真空规.设计中采用倒T型结构固定极板和防热变形结构,防止测量过程中温度变化导致的规管部件热变形;采用面积相同的双电极结构,消除测量过程中外界杂散电容和温度变化引起的测量信号偏差.小型电容薄膜真空规整体尺寸为φ42×24 mm,重量小于200 g,测量下限为10-2 Pa,测量不确定度预计小于5％,能适应较宽的工作温度范围,可以满足深空探测需求.     

电容薄膜真空规的正确使用

电容薄膜真空规的使用情况直接关系到产品的可靠性。本文从五个方面,详细分析了电容薄膜真空规在正确使用中的注意事项,从而保证了它的准确度及稳定性,提高了其使用寿命。     

薄膜电容真空计电源的研究

介绍了利用交流电桥和相敏检波（PSD）原理设计的薄膜电容真空计电源的电路实施方案、主机电路结构和实测性能，对其中关键的小电容测量方法进行了深入的研究，在8h内测量，电容差值的漂移可小至10－3pF。主机结构采用微机控制和真空计模块化设计，可构成复合真空计或用于组装其他真空计。初步测试结果表明，这种真空计用单规管可以实现从大气至1Pa，覆盖五个数量级的真空度测量。     

Performance Characterization of Capacitance Diaphragm Gauges with Different Diaphragm Materials Below 10% of Full Capacity

The capacitance diaphragm gauge (CDG) is one of the most accurate transfer standards for use in atmospheric to medium vacuum regions. Currently, it is practical to cover a wide range of measurements with the least amount of equipment possible. In this study, one CDG with a metal membrane and two CDGs with a ceramic membrane are characterized through calibrations using a reference standard, in this case a force-balanced piston gauge system, through repeated measurements ranging from about 500 Pa to 13.3 kPa, below 10% of their full capacities (133 kPa). Performance characterizations such as repeatability, long-term instability and zero-pressure instability assessments were conducted. According to repeatability and long-term instability measurements of 133 kPa CDGs tested below 10% of their full-scale (FS) capacities, the metal membrane CDG was found to be somewhat superior compared to the ceramic membrane CDG due to the inherent material stiffness of this type of CDG. However, the difference was negligible, and both membrane-type CDGs could be used at 3 kPa (about 2% of the FS). The responses to heater effects and the results of the zero-pressure instability tests were also evaluated and presented. As shown from these results, the zero-pressure instability is major concerns for the metal membrane CDG, while it has little effect for the ceramic membrane CDG. CDGs in either case have their own advantages and can be used depending on the user’s discretion.     

标准静态膨胀法真空装置研制

本装置检定范围(10^-3～10^5)Pa，最佳校准能力0．012％～2．2％．可以检定薄膜真空计。热传导真空计以及电离真空计。该装置的建立不仅满足了从大气到10^-3Pa高真空计量的需求，而且还可以用来校准标准漏孔，拓宽了检测领域。     

火星探测小型电容薄膜真空计的性能研究

目前在用电容薄膜真空计存在体积大、重量重等问题,无法满足深空探测中真空测量需求,因此设计了一种具有外形尺寸小、重量轻、工作温度范围宽等特点的小型电容薄膜真空计。在已经建立的金属膨胀式真空标准装置上对小型电容薄膜真空计的线性、稳定性、重复性等各项性能进行了反复的实验研究。实验结果表明,小型电容薄膜真空计具有良好的线性,重复性和稳定性的计算结果均能满足火星探测要求。     

静态膨胀法真空标准容积比测量及不确定度评定

静态膨胀法真空标准是真空计量的基础标准,其校准的精度在很大程度上取决于容积比测量的精度。选用一台高压力气体活塞压力计测量膨胀前气体的压力;利用电容薄膜真空计作为比较器,用一台低压力数字式气体活塞压力计测量膨胀后气体的压力;对静态膨胀法真空标准的容积比进行了测定,并对测量结果进行了不确定度的评定。     

利用银锡共晶键合技术的MEMS压力传感器气密封装

为了提高MEMS压力传感器的气密封装效果,利用银锡(Ag-Sn)焊片共晶键合的方法实现封装.首先介绍了工艺流程,然后利用X射线能谱(EDX)和剪切强度分析对共晶键合的温度和时间参数进行了优化,接着对9组静载荷下的剪切强度、Ag-Sn合金分布和键合层断面做了对比分析,最后做了X光检测、氦泄漏率对比测试及MEMS压力传感器实际效果测试.实验结果表明,在温度为230℃、加热时间为15 min、静载荷范围为0.003 9 MPa～0.007 8 MPa时,MEMS压电传感器的平均剪切强度达到14.22 MPa～18.28 MPa,X光检测无明显空洞,氦泄漏率不超过5×10-4Pa.cm3/s,测试曲线表明线性度较好.     

Ionization vacuum gauge with a carbon nanotube field electron emitter combined with a shield electrode

The applicability of carbon nanotubes to an electron source for a Bayard-Alpert type vacuum gauge has been investigated. Three gauge configurations are designed to optimize the gauge performance. The optimized gauge, in which an additional shield electrode is fixed on a gate electrode, exhibits good measurement of linearity between ion current and system pressure from 10⁻⁷ to 10⁻² Pa. A gauge sensitivity of 0.05 Pa⁻¹ has been achieved under 100 μA emission current for nitrogen, comparable with 0.07 Pa⁻¹ of commercial ionization gauges.     

一种谐振式MEMS压力传感器单芯片级真空封装和低应力组装方法

为提高谐振式MEMS压力传感器的品质因数,且同时降低温度漂移,设计了一种传感器的单芯片级真空封装和低应力组装方法,选用非光敏苯并环丁烯（BCB）材料在真空加热、加压条件下实现PYREX7740玻璃空腔与传感器芯片的黏合键合,在可伐合金管座上加工出与传感器尺寸相匹配的方形空腔,实现传感器芯片的低应力组装．实验结果表明：传感器具有较高的品质因数（9455）,检测范围为500—1100hPa,灵敏度为9．6Hz／,hPa,满量程最大非线性度为0．08％,-40℃-50℃内温度系数为0．9Hz／℃,温度总漂移为传感器满量程变化的1．3％,传感器在开机加电稳定后长时漂移为0．086％F．S．     

用于微电子机械系统封装的体硅键合技术和薄膜密封技术

对静电键合、体硅直接键合和界面层辅助键合等三种体硅键合技术，整片操作、局部操作和选择保护等三种密封技术，以及这些技术用于微电子机械系统的密封作了评述，强调在器件研究开始时应考虑封装问题，具体技术则应在保证器件功能和尽量减少芯片复杂性两者之间权衡决定。     

压敏电阻用于低真空测量的研究

研究了将压敏电阻用于低真空的测量，包括规管和电路，研制成了新型DL-4型真空计。该计测量范围为102～105Pa，性能好，价格便宜。介绍了该真空计的原理、结构与特性。