自验证真空度传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种真空度传感器，尤其是一种自验证真空度传感器。按照本发明专利技术提供的技术方案，所述自验证真空度传感器，包括气体腔室，在所述气体腔室内设置红外光源单元以及热电堆单元，通过红外光源单元能产生所需的红外辐射，所述热电堆单元能接收红外光源单元发射的红外辐射，在热电堆的冷热端之间产生温度差，由塞贝克效应在热探测单元输出相应的电压。在此过程中真空度将影响空气热导率，最终改变热电堆的输出电压，利用所述输出电压的变化获得相对应的真空度信息。本发明专利技术的真空度传感器既可检测真空室总真空度P，又可检测真空室某一气体分压P

【技术实现步骤摘要】
自验证真空度传感器


[0001]本专利技术涉及一种真空度传感器，尤其是一种自验证真空度传感器。

技术介绍

[0002]MEMS真空度传感器，以其功耗低、成本小、易集成、灵敏度高等优点被广泛应用于科研、工业、医疗以及日常电子设备中，按其工作原理可分为电离式真空计、热传导真空计、电容膜式真空计、谐振式真空计。
[0003]皮拉尼真空计属于热导型真空传感器，通常包含加热体，加热体暴露于被测的气体环境之中，施加电载荷后产生热量，该热量以以下方式散失，固体热传导、气体热传导、气体对流换热、辐射热传导。如果被测气压降低，气体热传导将减少，因此，在加热电流恒定的情况下，加热体的温度就会上升，反之降低。加热体的电阻是温度的函数，通过测量加热体两端的电压及电流，可以计算得到加热体的电阻，进而求得其温度以及对应的气压。
[0004]一般地，热传导式皮拉尼真空计有三种结构：微热桥式、微热板式、微热缝式。对于不同结构的热传导式皮拉尼真空计，首先，微热桥式结构、微热板式结构采用减小导热间隙提高对气压的敏感性，但会给制作工艺带来一定难度，因而多采用牺牲层工艺制备而成。为了提高性能，在设计上会减少固支点，存在容易断裂失效的情况；微热缝式结构采用横向导热方式，在同一平面同时制备加热电阻和热沉，需要借助DRIE刻蚀、背面键合工艺完成，难度较大，工艺一致性控制难度高。其次，热传导式皮拉尼真空计的输出信号仅来自于加热体的电阻变化，需要精确度较高的设备，如电阻变化较小，容易造成读出错误，检测失误。最后，传统热传导类型皮拉尼真空计只能检测腔室内所有气体组分的总真空度P，无法区分不同气体的分压P
i
。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种自验证真空度传感器，降低了传感器的制备难度，提高其适用范围以及检测的可靠性。
[0006]按照本专利技术提供的技术方案，所述自验证真空度传感器，包括气体腔室，在所述气体腔室内设置红外光源单元以及热电堆单元，通过红外光源单元产生所需的红外辐射，所述热电堆单元能接收红外光源单元发射的红外辐射，并在接收红外辐射后输出相应的电压，利用真空度的变化对空气热导率的影响，最终改变所述电压以确定空气腔室中的真空度信息。所述真空度传感器既可检测真空室总真空度P，又可检测真空室某一气体分压P
i
。单独使用热电堆单元检测真空度时，由于热电堆单元的电压输出不受气体组分的影响，所以可检测到总真空度P。在使用热电堆单元、红外光源、滤光片配套系统检测时，能检测不同组分气体的分压P
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。其原理为，不同组分气体具有不同的红外吸收性能，如CO2对于4.26μm的波吸收较强。当滤光片仅能透过该波长的红外光时，根据朗伯
‑
比尔定律，红外光源使热电堆产生的输出电压信号则仅能表达此时CO2的浓度C
i
，如气体腔室体积为V，可计算CO2摩尔量n
i＝
C
i
×
V。又由气体状态方程P
i
V＝n
i
RT得到CO2分压P
i
，通过使用不同透过波段的滤光片，
获得不同气体的分压。
[0007]还包括设置于气体腔室内的反射单元，利用反射单元能将红外光源单元产生的红外辐射向热电堆单元反射。
[0008]所述红外光源单元为红外光源芯片或红外光源封装体，热电堆单元为热电堆芯片或热电堆封装体；
[0009]所述红外光源单元的红外辐射面与热电堆单元的吸收区对应，或者红外光源单元与热电堆单元在气体腔室内位于同一侧。
[0010]还包括能与红外光源单元的红外辐射面适配的滤光片和/或聚光罩，红外光源单元产生的红外辐射经过滤光片/或聚光罩后能被热电堆单元接收。
[0011]所述红外光源单元与热电堆单元间的距离为1mm～200mm。
[0012]所述热电堆单元包括热电堆本体以及与所述热电堆本体吸收区适配的自验证单元，通过所述自验证单元能对热电堆本体的吸收区进行加热自验证热电堆本体的性能，检测气体腔室的总真空度P，另外还可以排除吸附在热电堆本体上的空气。
[0013]所述自验证单元包括加热电阻条，所述加热电阻条位于热电堆本体内热偶条热端的内圈，或者所述加热电阻条包括分布于热电堆本体内热偶条间隙之间的第一加热部以及分布于热偶条热端的第二加热部；
[0014]所述加热电阻条的材料包括Al、Au、Cu、Pt、Ni、TiN、NiCr或Si中至少一种，加热电阻条的宽度为1μm～100μm，加热电阻条的阻值为5Ω～5000Ω。
[0015]所述红外光源单元包括红外光源衬底以及设置于所述红外光源衬底背面的红外光源背腔，在红外光源衬底的正面设置光源支撑层以及设置于所述光源支撑层上的辐射发热体，所述辐射发热体与红外光源背腔正对应。
[0016]所述光源支撑层包括二氧化硅支撑层、氮化硅支撑层和/或三氧化二铝支撑层，所述二氧化硅层支撑层、氮化硅支撑层、三氧化二铝支撑层的厚度为5nm～5000nm；
[0017]所述辐射发热体为多线条结构或热板式结构。
[0018]还包括设置于辐射发热体上的辐射增强层。
[0019]本专利技术的优点：通过在气体腔室内分别设置红外光源单元和热电堆单元来实现真空度的检测。由于两种单元的加工工艺难度不高，可有效提高真空度传感器的可靠性；通过气体腔室内的反射单元能对红外辐射进行反射，红外光源单元、热电堆单元在气体腔室内可自由调节两单元的间距和角度，以适应不同的应用场景；同时，利用红外光源单元与热电堆单元之间巧妙设置的反射单元的多次反射，可增大红外光的传播路径，提高检测准确性；利用滤光片与红外光源单元、热电堆单元配合，红外光源单元发射的连续的、宽谱的红外光经过滤光片滤波后，仅能透过某一波长范围内的红外光，能实现对某类气体成分的分压P
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进行检测，相比于传统热导式真空计实用性更广。被检测真空度P
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对光源辐射能量W和热电堆支撑层与基座之间的气体热导G的影响结果是热电堆单元输出电势差产生增益或负增益效果，可拓宽真空度传感器的检测范围与灵敏度。利用热电堆单元内的自验证单元可热电堆是否工作正常，检测气体腔室的总真空度P。通过自验证单元还可对热电堆单元进行除气操作，解吸附在热电堆表面的气体分子，保证检测准确性。
附图说明
[0020]图1为本专利技术第一种实施情况的示意图。
[0021]图2为本专利技术第二种实施情况的示意图。
[0022]图3为本专利技术第三种实施情况的示意图。
[0023]图4为本专利技术第四种实施情况的示意图。
[0024]图5为本专利技术第五种实施情况的示意图。
[0025]图6为本专利技术第六种实施情况的示意图。
[0026]图7为本专利技术第七种实施情况的示意图。
[0027]图8为本专利技术第八种实施情况的示意图。
[0028]图9为本专利技术红外光源单元的示意图。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自验证真空度传感器，其特征是：包括具有气体腔室的壳体(1)，在所述壳体(1)的气体腔室内设置红外光源单元以及热电堆单元，通过红外光源单元能产生所需的红外辐射，所述热电堆单元能接收红外光源单元发射的红外辐射，并在接收红外辐射后输出相应的热电感应电压，利用所述热电感应电压能确定相对应的真空度。2.根据权利要求1所述的自验证真空度传感器，其特征是：还包括设置于壳体(1)气体腔室内的反射单元，利用反射单元能将红外光源单元产生的红外辐射向热电堆单元反射。3.根据权利要求1或2所述的自验证真空度传感器，其特征是：所述红外光源单元为红外光源芯片(2)或红外光源封装体(7)，热电堆单元为热电堆芯片(3)或热电堆封装体(8)；所述红外光源单元的红外辐射面与热电堆单元的吸收区对应，或者红外光源单元与热电堆单元在壳体(1)的气体腔室内位于同一侧。4.根据权利要求1或2所述的自验证真空度传感器，其特征是：还包括能与红外光源单元的红外辐射面适配的滤光片(10)和/或聚光罩(11)，红外光源单元产生的红外辐射经过滤光片(10)/或聚光罩(11)后能被热电堆单元接收。5.根据权利要求3所述的自验证真空度传感器，其特征是：所述红外光源单元与热电堆单元间的距离为1mm～200mm。6.根据权利要求1所述的自验证真空度传感器，其特征是：所述热电堆单元包括热电堆本体以及与所述热电堆本体吸收区适配的自验证...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁雪峰，石梦，周娜，毛海央，
申请(专利权)人：江苏创芯海微科技有限公司，
类型：发明
国别省市：