下面是小编为大家整理的MEMS皮拉尼传感器概述,供大家参考。
MEMS 皮拉尼传感器概述
抽象
真空设备具有广泛的应用，为了满足实际应用，真空监测在这种设备中是必要的。皮拉尼传感器的工作原理是利用空气密度对气体热传导的影响，引起敏感结构的温度变化，从而检测周围环境中的压力，从而进行真空监测。在过去的几十年中，MEMS皮拉尼传感器因其结构简单，使用寿命长，测量范围宽和高灵敏度的进步而受到相当大的关注和实际应用。本文系统地总结和比较了不同类型的 MEMS 皮拉尼传感器。讨论了不同类型的 MEMS 皮拉尼传感器的配置，材料，机制和性能，包括基于热敏电阻，热电偶，二极管和表面声波的传感器。此外，研究了基于纳米多孔材料、碳纳米管和石墨烯等功能材料的新型皮拉尼传感器的发展现状，并讨论了 MEMS 皮拉尼传感器未来可能的发展方向。本综述旨在重点关注 MEMS 皮拉尼传感器的一般知识，从而激发对其实际应用的研究。
关键字：
皮拉尼传感器; 微机电系统; 真空; 导热系数; 功能材料 1. 引言
真空科学在许多领域都有广泛的应用[1，2，3，4，5，6，7]，例如半导体工业[8，9]，航空航天[10，11]和军事[12，13]。在半导体工业中，纯硅的生长需要真空环境来减少分子污染，此外，包括反应离子蚀刻（RIE），化学气相沉积（CVD）和物理气相沉积（PVD）在内的微加工步骤也需要在真空下完成，环境清洁，减少分子干扰。为了监测这些环境中的真空信息，需要真空传感器。此外，许多设备需要真空封装来优化性能和可靠性[14]，例如 MEMS 陀螺仪传感器[15]，高端微加速度计[16]，非制冷红外焦平面阵列（UFPA）[17，18，19]等。这些设备需要在真空环境中运行，以减少其运动部件的气体阻尼或减少气体热传导，从而提高其性能。显然，对真空传感器的研究非常重要。
1906 年，Marcello Pirani 发现，随着气压的降低，在真空环境中熔化金属所需的加热电流减小。换句话说，当腔室中的空气密度降低时，通过气体的热传导同时下降[20]。这种现象被命名为皮拉尼效应。相应地，基于这种效应通过热传导的变化来检测气体压力的装置被命名为皮拉尼传感器[21]。
经过长期的发展和改进，皮拉尼传感器现已广泛应用于涉及真空监测[22 、23、24、25、26、27、28]的许多领域，如汽车工业、食品加工等。虽然传统的皮拉尼传感器非常经典，但它们体积大、成本高、费力，而且难以大规模生产[29]。有鉴于此，皮拉尼传感器的小型化具有重要意义。近几十年来，MEMS 技术的发展极大地推动了传统传感器的小型化[30、31 、32、33、34、35、36、37、38、39、40、41、42、43]。小型化的皮拉尼传感器，也称为 MEMS 皮拉尼传感器，不仅可以减轻器件的重量和尺寸，还可以降低功耗和生产成本[44 ，45，46，47 ，48，49，50 ，51，52，53，54，55]。此外，MEMS 技术可以促进皮拉尼传感器与其他器件在一个芯片上的集成[56，57，58]。凭借这些特性，MEMS 皮拉尼传感器已被采用在传统皮拉尼传感器无法到达的领域，包括微型真空室系统和真空封装芯片[59]。MEMS 皮拉尼传感器根据测量原理可分为各种类型，每种类型都具有不同的性能和优点。然而，到目前为止，它们尚未得到系统的讨论和比较。
本文系统地介绍了 MEMS 皮拉尼传感器，如图 1 所示。比较总结了不同类型 MEMS 皮拉尼传感器的机理、配置、材料和性能，包括基于热敏电阻、热电偶、二极管和表面声波（SAW）的传感器。此外，还介绍了一些采用纳米多孔材料、碳纳米管（CNT）和石墨烯等功能材料的新型皮拉尼传感器的发展现状。通过总结不同类型的 MEMS 皮拉尼传感器，发现虽然 MEMS技术为皮拉尼传感器的发展做出了巨大贡献，但仍然存在严重的问题，限制了这些传感器的实际应用，例如检测范围不够宽，一些器件的制造工艺与 CMOS 工艺不兼容， 这使得 MEMS 皮拉尼传感器的生产成本更高，性能相对较低。因此，迫切需要为MEMS 皮拉尼传感器开发新结构和寻找新材料，这些材料可以在简单的制备工艺基础上批量生产，同时扩展检测范围，使传感器在实际应用中有用。本文综述了 MEMS 皮拉尼传感器的未来发展方向和应用前景。
2. 基于热敏电阻的皮拉尼传感器
对于基于热敏电阻的 MEMS 皮拉尼真空传感器，加热器也是热敏电阻，其电阻是其温度的函数，而温度的变化与气压密切相关[60，61，62]。当气压变化时，通过空气的热损失发生变化，从而导致热敏电阻的温度变化，因此，热敏电阻的电阻也会发生变化。通过测量加热器两端的电压，随着施加的电流流过，可以获得加热器的电阻。同时，基于热敏电阻的电阻温度系数（TCR），可以相应地得到其温度和气压[63，64，65]。TCR 越高，热敏电阻（也是加热器）对温度变化的敏感性越高，因此可以实现皮拉尼传感器的更高灵敏度。根据导热的方向，基于热敏电阻的 MEMS 皮拉尼传感器有两种类型，包括垂直传热配置和横向传热配置。
2.1. 垂直传热配置
在具有垂直传热配置的皮拉尼传感器中，加热器和散热器垂直分布[66 ，67，68，69，70，71]。在这些装置中，加热器通常由镍铬[66]，钨[67]，铂[70]，多晶硅[60]等制成。通常，垂直传热配置有两种设计理念，即微桥和介电膜。具有微桥结构的加热器通常以悬浮带或线电阻器的形式分布在器件中，而具有介电膜结构的加热器通常以蛇形电阻器的形式分布在介电膜上。一方面，使用介电膜作为支撑结构，加热器的面积可以做得比较大。另一方面，介电膜还可以减少加热器和散热器之间的固体传热，这是因为介电膜位于加热器和散热器之间，可以避免两种结构的直接接触。由于在基于微桥的装置中，其加热器没有膜支撑器，因此加热器与散热器之间的间隙很小，同时，为了保持结构稳定性，加热器的面积相对较小。总之，基于微桥的器件的性能通常受到加热器尺寸小的限制，但加热器与散热器之间的间隙可以相对较近。位于介电膜上的加热器尺寸相对较大;但是，加热器和散热器之间的间隙在非常小时无法控制。加热器的间隙和尺寸对设备性能的详细影响将在后面讨论。
基于微桥结构的装置更适合高压检测[60]。由于基于微桥的器件中加热器和散热器之间的间隙非常小，在高压的情况下，有大量的气体分子，因此，分子只能有很小的平均自由程[26]。因此，气体分子很可能将热量从加热器传递到散热器，因此有利于热量通过气体分子的传导，因此，这种间隙较小的装置有利于检测高压条件[66]。然而，在介电膜结构中，由于存在一层介电膜，因此两者之间的间隙不能像微桥器件中的间隙那么小。在此基础上，基于介电膜的器件不适合检测高压条件。相反，与微桥器件相比，介电膜器件的敏感区域可以设计得更大，这使得这些器件更适合低压检测[60]。这是因为在低压条件下，气体分子很少，因此气体分子的平均自由程要大得多，因此间隙的大小对气体分子从加热器到散热器的运动影响不大，但是，在这种情况下，加热器的大小将成为主要影响因素[22]。加热器越大，与加热器接触的气体分子越多，热量带走，因此更有利于热量通过气体的传导[72]。但是，对于尺寸较大的悬吊式微桥结构，它更容易坍塌。由于介电膜也可以起到支撑结构的作用，加热器的尺寸可以制备得大得多，有鉴于此，基于介电膜的器件适用于低压检测。
图 图 2a 显示了基于热敏电阻的皮拉尼传感器的立式传热配置的结构示意图。如图所示，加热器和散热器纵向分布，加热器位于散热器上方。如前所述，具有小间隙的微桥器件在高压检测中表现出优异的性能。为了在高压范围内达到足够的灵敏度，加热器和散热器之间的间隙应控制在纳米级。另外，对于基于介电膜的器件，加热器与气体分子之间的相互作用面积较大，它将大大提高气体的导热性，因此，介电膜器件在低压检测中可以达到突出的性能。基于介电膜的器件提高低压检测性能的另一个原因是它们能够减少固体热传导。就像在低压下一样，只有少数气体分子参与热传导，如果没有介质膜阻挡加热器和散热器之间的直接接触，几乎所有的热量都会通过固体热传导（通过散热器）迅速消散，因此无法检测到器件输出与压力之间的关系。通过加热器和散热器之间的介电膜，可以有效地阻挡固体热传导，因此通过气体的热传导不容忽视，而是用于压力检测。总之，即使在低压条件下气压变化很小，设备仍然可以检测到气压的变化。
Khosraviani 等人报道了一种基于微桥结构的皮拉尼真空传感器，其中采用 NiCr 来构建加热器，如图 2b 所示[66]。为了制备该器件，首先使用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）生长的非晶硅层作为牺牲层。随后，涉及二氟化氙（XeF）的气相蚀刻 2 ）用于释放牺牲层，从而形成具有纳米级间隙的悬浮微桥。测试结果如图 2c 所示。如图所示，加热器和散热器之间的窄间隙可以扩展高压范围内的测试极限，并提高器件的灵敏度。该器件的间隙为 50 nm，响应范围为 10 2 至 7 × 10 5 Pa，比具有 100 nm 间隙的器件更宽，其响应范围为 10 2 至 10 5 帕。此外，前者的灵敏度也高于后者。
张和同事们提出了一种基于介电膜结构的皮拉尼传感器，具有四个支撑梁，如图 2d 所示[73]，该装置中的加热器由多晶硅制成。测试结果如图 2e 所示。如图所示，该器件的敏感范围为 10 至 10。
5 帕。为了减少固体热传导并扩大器件的灵敏度范围，Zhang 等人报道了另一种基于介电膜的传感器，具有六个支撑光束。同样，多晶硅用于构建加热器，如图 2f [74]所示。在前作中使用的四个支撑梁的基础上，作者在结构中采用了另外两个热传导低的窄短梁，能够进一步提高器件的机械强度，使
其他四个光束可以更长，从而有效降低固体热传导总量， 因此，达到可检测压力范围的下限。不同加热电流条件下器件的输出电压与气压的关系如图 2g 所示，结果表明该器件的敏感范围为 10 −1 至 10 5 帕。
为了证明电介质膜器件中加热器区域的灵敏度和敏感范围的影响，Lefeuvre 等人基于具有不同加热区域的介电膜制备了 3个 Pirani 传感器，如图 2h 所示[72]。三个设备的加热器全部由铝制成，同样，这些设备中的加热器都以恒定电流加热，电阻与气压的变化如图 2i 所示，这表明具有较大加热器面积的装置具有更大的灵敏度和更宽的灵敏度范围比具有较小的加热器面积的器件更大的灵敏度和更宽的灵敏度范围。
J.J. van Baar 等人开发了一种热敏电阻型皮拉尼传感器，具有垂直传热配置，加热器和散热器之间的间隙为 V 形凹槽，如图 3 所示[75]。该皮拉尼传感器可以通过测量加热器的温度分布而不是加热器的平均温度变化来检测压力。与先前的垂直结构热敏电阻型传感器相比，这种皮拉尼传感器的优点是它不需要考虑加热器材料的 TCR大小，因此隐含地考虑了基板的热损失[76，77]。
2.2. 横向传热配置
与垂直传热配置相比，具有横向传热配置的皮拉尼传感器通常需要更少的光刻步骤并且没有腐蚀过程。在这样的装置中，加热器和散热器通常由相同的材料层制备。因此，这种类型的皮拉尼传感器具有易于制造等优点[78，79，80，81]。
图 图 4a 显示了采用横向传热配置的基于热敏电阻的皮拉尼传感器的结构示意图。如图所示，加热器和散热器水平分布，散热器分布在加热器的两侧。气体热传导从加热器水平传递到散热器。图 图 4b 示出了 Jiang 等人报告的这种类型的传感器[78]，在该传感器中，加热器和散热器都是由单晶硅层制备的。加热器设计为蛇形，固定在两个梳状散热器之间。器件的热阻抗与压力之间的关系如图 4c 所示，结果表明器件的敏感范围为 1~1000 Pa。此外，Topalli 等人分别使用溶解晶圆工艺（DWP）和玻璃上硅（SOG）工艺制造了两个具有横向传热配置的皮拉尼传感器，如图 4d，e [79]所示。这两个设备的加热器和散热器都是由多晶硅制成的。重要的是，Topalli 等人对这两种制造技术进行了详细的研究，他们还详细测试和比较了两种技术所实现的器件的性能，两种器件的电阻变化随气压的变化如图 4f 所示。结果表明，DWP 器件的敏感范围为 10~2000 mTorr（约 1.333~266.6 Pa，1 Torr=133.3 Pa）。而 SOG 器件的灵敏度范围为 50 至 5000 mTorr（约 6.665 至 666.5 Pa）。
3. 基于热电偶的皮拉尼传感器
基于热电偶的皮拉尼传感器基于塞贝克效应[82]工作，当热端被加热时，在冷端形成电压，如图 5a 所示。这种类型的皮拉尼传感器通常由几对热电偶条组成[83 ，84，85，86，87，88]。热电偶条串联连接形成热电堆，其中热端由加热器加热，而冷端位于散热器上，使冷端的温度与环境温度保持一致。在运行过程中，加热器以恒定的加热功率施加，这导致热电堆的热端温度升高，然后根据塞贝克效应将温度变化转换为电信号。当压力变化时，气体热传导也相应改变。由于气体的热传导是总热传导的一部分，因此，如果气体热传导发生变化，从热端到冷端的固体热传导的比例也会相应变化，这反过来又会影响热端和冷端之间的温度变化。基于这一原理，检测压力与输出电信号之间的关系。图 图 5b 显示了热电堆的结构示意图，通常，基于热电偶的皮拉尼传感器就是基于这种结构设计和制造的。
Sun 等人探索了一种基于热电偶的皮拉尼传感器，该传感器与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺完全兼容，如图 5c所示[89]。该装置由一个多晶硅加热器和 38 个 N-多晶硅/铝热电偶组成，热电偶悬挂在空腔上，并利用 XeF 实现空腔 2 正面干法蚀刻工艺。加热器由聚硅制备而成。在设备运行期间，加热器以恒定功率施加。器件输出电压与压力的关系如图 5 d 所示，如图 所示，器件的敏感范围为 5×10 −3 至 10 5 帕。
Lei 等人设计了一种基于 n-poly-Si/p-poly-Si 热电偶的皮拉尼传感器，该热电偶位于由涉及 XeF 的前蚀刻工艺制备的腔体上。
2 ，如图 5e [90] 所示。在设备中，没有加热器，因此需要外部设备来加热热端。在运行过程中，外部热辐射源为设备的吸热区域提供恒定的加热功率。使用塞贝克效应，测量器件的输出电压与气...
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