摘要：为了进一步提升市面上自动化测量传感器的应用效果，简述了自动化测量传感器的工作原理。以真空微电子压力传感器系统为例，从结构设计、仿真模拟、研制工艺设计、固相键合工艺流程以及性能测试几方面对基于微机械电子技术的自动化测量传感器设计方案进行了详细分析。提出了一种微电子技术以及真空电子技术研发一种真空微电子压力传感器的方法，其构成包括真空微腔、绝缘层、弹性阳极膜等，具有实际应用优势，如能够支持批量生产、体积较小、灵敏度高、响应速度快、抗辐射性能好以及稳定性高等。所提方法对微电子传感器领域的发展具有一定的参考价值，应用市场较为广泛，未来发展前景较好。

　　关键词：微机械电子技术；自动化测量；传感器设计

　　Design Scheme of Automatic Measurement Sensor Based on Micro-electromechanical Technology

　　Chen Jing，Li Jizhou

　　(Huaibei Vocational and Technical College,Huaibei,Anhui 235000,China)

　　Abstract:To further enhance the application effect of automated measurement sensors on the market,the working principle of automated measurement sensors was briefly described.Taking a vacuum microelectronic pressure sensor system as an example,a detailed analysis of the design scheme of an automated measurement sensor based on MEMS technology was carried out from several aspects,including structural design,simulation,development process design,solid phase bonding process,and performance testing.A method for developing a vacuum microelectronic pressure sensor based on microelectronics and vacuum electronics technology was proposed.The structure included a vacuum microcavity,an insulating layer,and an elastic anode film.It has practical application advantages,such as being able to support batch production,small size,high sensitivity,fast response,good radiation resistance,and high stability.The proposed method has certain reference value for the development of microelectronic sensors,and has a wide application market and a good future development prospect.

　　Key words:micro-mechanical electronic technology;automatic measurement;sensor design

　　0引言

　　传感器技术是当前自动化以及现代测量发展的重要技术，无论是人们生活还是工业生产都需要有传感器技术作为支持，其当前也在科学、农业、国防等多个领域都实现了广泛应用。传感器主要指的是一种能够在感受被测量的基础上按照相应的规律促使其向可用信号进行转换的装置，主要包括温度、速度以及压力传感器等。传感器在自动检测和控制系统中有着至关重要的地位，若是其有着较高的自动化程度，那么系统便会对传感器有着较大的压力性。基于过程自动化的5大参量来看，压力是其中首要的参量之一，是帮助工作人员获取压力信息的核心元件和基础元件。

　　近些年来业内研究最为广泛的一种压力传感器便是阻式硅压力传感器，其最早提出于60年代，半导体压阻效应在温度方面有着较强的敏感性，存在不稳定的问题，所以其在温度补偿方面依旧需要继续探索。电容式传感器在温度稳定性方面要明显优于硅压阻式传感器，然而其在尺寸方面则面临着诸多限制，其主要原因在于，当器件尺寸逐渐缩小之后其电容值也会随之减小，这便在一定程度上降低了其压力分辨率。而硅压电式传感器则对动态压强比较敏感，在实际测量器静态压力的过程中需要使用电荷放大器，这便会增加其成本投入。

　　在当前微电子、微细加工等技术不断发展的时代背景下，真空微电子传感器应运而生，其能够有效实现真空器件以及固体器件各自优势的集成，在液体高度、压力、声波强度以及流速测量等领域都有着较强的应用价值，大力开展对其的研究能够展现出良好的经济效益以及学术价值。

　　本文以真空微电子压力传感器系统为例，从结构设计、仿真模拟、研制工艺设计、固相键合工艺流程以及性能测试几方面对基于微机械电子技术的自动化测量传感器设计方案进行了详细分析。提出了一种微电子技术以及真空电子技术研发一种真空微电子压力传感器的方法，并开展性能验证以证明其实用价值。

　　1自动化测量传感器的工作原理

　　针对检测控制系统而言，传感元件控制传感器件能够实现对于被控量数据的有效感知，同时按照特定的方式进行数据信号输出。例如系统中主要功能传送环节进行分离的过程中，数据需要从一处向另一处传送，而这一环节的功能主要便是由数据信号传送控制进行支撑的[1]。结合数据处理的结果能够明确，这环节能够使得原本的信息形式转换成更加容易被人类所接受的信息显示形式，为后续工作人员随机进行数据分析创造良好的条件，并满足实时动态跟踪和监控数据的要求。工作人员能够直接使用数字模拟所形成结果自动化地进行记录，或者可以通过对于随机数字扫描打印机的应用对其结果进行数字打印输出[2]。该测量方法的合理应用能够基于更加真实的数据获得更具真实性的测量结果，然而受到多方面因素影响，模拟测量操作结果有可能会出现准确的问题，例如外界环境干扰、测量方法不科学以及系统性能欠缺等[3]。

　　2真空微电子压力传感器系统

　　2.1结构设计

　　单晶硅本身有着较强的电学性能以及机械性能，在各种电子元件以及集成电路的制造上有着广泛应用，所以本设计采用的是N型(100)单晶硅片。硅材料有着相对较低的密度，但屈服强度极高，所以硅有着较高的刚度和强度密度比。单晶在导热性方面相对突出，要明显优于石英和不锈钢等材料，但难以达到金刚石一样的程度，金刚石有着极为复杂的制作工艺，而硅单晶发展至今其制作工艺已经相对成熟，并且不会涉及到过大的成本投入。单晶硅本身有着较高的纯度，滞后以及蠕变无限接近0，整体呈现出良好的机械稳定性。本设计采用了N型硅片作为阳极膜材料，其电阻率在2~8Ω·cm范围之内[4]。

　　结合场致发射特性来看，其材料的电阻率不应当过高，以免对硅片的导电性能造成负面影响，继而对场致发射电流起到限制作用。除此以外，因为高阻硅片自身没有较强的完整性，在实际应用的过程中存在较大缺陷，所以要求其有着较低的电阻率。除此以外，从机械性能的角度来看，硅片本身应当有尽可能低的杂质，并且呈现出更高的电阻率，一旦其电阻率存在过低的问题，并且其中包含过多杂质，便会在一定程度上增加机械迟滞问题，进而严重降低测量工作开展的稳定性以及精度。设计人员根据其同集成电路选材适用性的考虑，决定使用电阻率为2~8Ω⋅cm的N型硅片进行设计，之所以会选择N型硅片相对于P型硅片来说要更低，所以能够容易产生场致电子发射[5]。

　　对于真空微电子压力传感器来说，阴极锥尖阵列将会对其自身稳定性以及灵敏度造成影响，在实际进行设计的过程中，设计人员应当加强对于其锥尖数、曲率半径以及形状等的实际情况的重视。锥尖总共包括4种形状，而圆形柱底锥尖结构场致在实际工作的过程中能够展现出更强发射品质因素，而金字塔形则相对较差。

　　从制造工艺的角度来看，圆形柱底锥尖比较复杂，并且难以实现同当前集成电路工艺条件之间的相互兼容，从实际情况来看，金字塔形的锥尖在制造上相对方便。设计人员在综合考虑制造工艺以发射品质因素的基础上确定采用埃菲尔塔型锥尖结构，其制作工艺具有较高的兼容性，与此同时，为了能够在原有的基础上提升其灵敏性，为后续的信息条例提供方便，增大其输出发射电流，需要进一步增加其单位面积的锥尖数量，在此过程中还应当充分明确其批产量以及工艺情况，通过计算明确其锥尖的尺寸以及中心距分别为3µm×3µm和7µm。除此以外，设计人员在对真空压力传感器进行设计的过程中还应当加强对于过载保护问题的重视，通常情况下来说其是从外部电路出发的，此举尽管会造成成本的增加，但也能够确保其具有较高的稳定性。本设计基于传感器自身结构进行了过载保护环设计，一旦阳极弹性膜所承受的压力没有维持在量程之内，那么阳极膜便会接触过载保护环的顶部，进而使得微电子压力传感器发挥出其过载自保护功能[6]。

　　2.2仿真模拟

　　本设计使用的为ANSYS6.0有限元软件，基于这一软件开展对于传感器的静力学特性分析工作，针对阳极膜的厚度以及边长等参数进行优化修改，在此基础上实现对其的迭代计算，最终获取厚度、边长同位移量之间的关系曲线，基于曲线展开回归分析，最终明确传感器本身所具有的结构尺寸对其自身位移量所造成的影响[7]。

　　阳极膜的厚度同最大位移量之间有着一定的关系，假设阳极膜边长L=2 000µm、P=0.2 MPa、E=130 GPa、µ=0.18，而计算厚度维持在61~75µm的情况下，阳极膜的最大位移量同最大应力之间的关系如表1所示，本文按照规律选取了其中的几个厚度。

　　通过MATLAB的应用对上述数据进行分析，完成预测曲线的绘制工作，明确三者关系曲线，针对其展开回归分析能够明确其关系方程如下：

　　2.3研制工艺设计

　　工作人员需要先将氧化一层二氧化硅涂在事先所准备好的硅片材料上，然后再采用光刻的形式刻出必要的锥尖区域，使其构成一个硅槽，确保后续的锥尖顶部同阳极膜之间能够具有一定的距离，通过模拟仿真能够明确阳极膜的厚度基本上处在十几微米左右，所以应当将二者之间的距离维持在29 m左右[8]。由于后面的氧化层不可避免地要对硅产生一定的消耗，所以可以明确硅槽的深度基本上在1.2~1.8µm之间，当硅槽形成之后，阴极锥尖便会形成于硅槽区，设计人员可以通过氧化锐化的手段尽可能提升阴极锥尖的尖度，以更好地同设计要求相适应。当完成氧化锐化工作之后，工作人员需要通过光刻消除存在于阴极锥尖上的氧化层，在此过程中还应当确保硅槽以外的部分存在二氧化硅，此举能够为后续检核过程中阳极膜同阴极衬底之间相绝缘创造良好的条件，当将锥尖氧化层去掉之后，便完成了阴极锥尖的制作。工作人员应当采用双面光刻的形式，促使锥尖区域向硅片的背面进行转移。

　　工作人员需要通过真空键合的手段，将低阻并且没有氧化层的硅片以及完成制作的硅片有效结合在一起，在高温退火的基础上促进二者充分熔融键合，接下来便可以采用减薄的手段将硅片减薄到60~80µm左右，并对其展开抛光工作，最终得到相应的阳极膜[9]。

　　工作人员在完成上述操作之后便基本上形成了相应的真空微电子压力传感器，此时应当采用适当的方法引出压力传感器的极端，具体来看，工作人员可以采用二氧化硅，并对引线孔进行光刻，采用集成电路的方法引线制备，后续则需要利用圆形铁管壳对其进行封装，并开展相应的测试以及标定工作。

　　2.4固相键合工艺流程

　　固相键合工艺流程如图1所示。

　　本文阐述的真空压力传感器，主要是通过硅-硅键合，进而形成一个微腔，再对硅片进行减薄抛光工作，使其形成相应的阳极膜，在施加正电压的过程中，便会使得阴极锥尖发射电子产生一定的电流。一旦阳极膜在受力状态下产生位移，阴极锥尖发射电子便会受到距离变化的影响进而产生电流变化现象，工作人员可以通过对于电流变化的检测明确阳极膜在压力状态下产生的变化情况[10]。在键合中，阳极膜锥尖以及正对锥尖的位置都不可以存在二氧化硅，即便是有也应当强化对其数量的控制，反之便会对电子的正常发射和接收造成严重的负面影响，实际应用表明，其所使用的硅-硅键合技术在实际应用的过程中有以下几方面突出特点。

　　其属于有图形的硅-硅键合，在一定程度上减小了硅片之间的键合面积，使得键合的难度得到增加。在有图形的区域范围内产生微腔，当进行键合处理时，气体将会在受热的状态下产生膨胀，进而使得硅片之间相互分离，最终影响键合的顺利进行。后续应当针对其键合特点展开更为深入的研究，在此基础上创新硅-硅键合技术，进而确保其能够充分同该压力传感器相适应，更好地支撑真空压力传感器的研发和应用[11]。

　　3性能测试与结果分析

　　本设计为压力传感器，在针对其精度性能展开检测的过程中使用的为万能压力测试机，在测试机压板的下方对其进行放置，根据实际情况实现对于测试机压力值的有效调节，基于压力值的不同进行差值计算，以实现对于传感器精度的合理检验。工作人员可以利用兆欧表以及压力测漏仪进行可靠性检验，在此过程中应当科学开展对于传感器电压输出以及压力变化等情况的计算，并将其同传感器设计生产标准进行比较分析，以得出检测结果[12-15]。

　　4结束语

　　综上所述，由于目前我国在真空微电子压力传感器领域的研究成果较少，所以本文主要是基于现有的真空微电子等技术和相关理论对真空微电子压力传感器进行研究。本文基于半导体工艺技术全方位分析了传感器的结构以及制造工艺设计，同时系统化地开展了对于固相键合技术以及测试标定等的研究工作，最终产生了相应的实验样品，其起始发射电压以及反向电压分别在1~5 V范围之内和大于或等于25 V。经过对其的性能验证，明确其具有一定的应用价值，未来需要根据实际情况变化进行进一步的改造和升级。

　　参考文献：

　　[1]许铁岩,韦炜,魏鹏鑫,等.燃气轮机转速传感器测量故障分析与优化设计[J].工业仪表与自动化装置,2022(3):79-84.

　　[2]梁应选,王楠,张昌明.基于光栅传感器位移测量系统设计[J].机械研究与应用,2022,35(1):85-88.