扩展量程真空测量芯片及其成形方法

摘要

本发明提供了一种扩展量程真空测量芯片及其成形方法，涉及真空测量技术领域，包括：基体，基体包括隔热腔；覆盖基体的第一面的第一隔热层，且位于隔热腔上方；设于第一隔热层的第一热敏传感器、第二热敏传感器和热辐射传感器；以及，热电堆传感器，设于基体的第一面，与热辐射传感器间隔设置，且位于热辐射传感器远离第二热敏传感器的一侧。利用热飞行时间原理，通过第一热敏传感器、第二热敏传感器、热辐射传感器和热电堆传感器，根据气体热性质来测量从正压到真空直至高真空的扩展真空范围，该芯片适用于所有扩展量程真空测量，同时，该芯片不受气体组分变化的影响，在真空快速变化时保持其可靠性，并可用于真空泄露的检测。

权利要求

1.一种扩展量程真空测量芯片，其特征在于，包括：基体，所述基体包括隔热腔；

第一隔热层，所述第一隔热层覆盖所述基体的第一面，且位于所述隔热腔上方；

第一热敏传感器，设于所述第一隔热层；

第二热敏传感器；设于所述第一隔热层，且与所述第一热敏传感器间隔设置；

热辐射传感器，设于所述第一隔热层，且位于所述第二热敏传感器远离所述第一热敏传感器的一侧，所述热辐射传感器包括热辐射源；以及，热电堆传感器，设于所述基体的第一面，与所述热辐射传感器间隔设置，且位于所述热辐射传感器远离所述第二热敏传感器的一侧；所述热电堆传感器靠近热辐射传感器，两者之间采用连续膜；所述热电堆传感器用于测量热辐射源通过热辐射传递的热量，以对超真空进行测量。

2.根据权利要求1所述的扩展量程真空测量芯片，其特征在于，所述第一热敏传感器和所述第二热敏传感器的两侧设有隔热槽，所述隔热槽连通所述隔热腔。

3.根据权利要求1所述的扩展量程真空测量芯片，其特征在于，所述第二热敏传感器的数量为两个，两个所述第二热敏传感器间隔设置，且均位于所述第一热敏传感器与所述热辐射传感器之间。

4.根据权利要求1所述的扩展量程真空测量芯片，其特征在于，所述扩展量程真空测量芯片还包括第三热敏传感器，设于所述基体的第一面，且位于所述热电堆传感器远离所述热辐射传感器的一侧。

5.根据权利要求1所述的扩展量程真空测量芯片，其特征在于，所述第一隔热层包括第一隔热膜；

或者，所述第一隔热层包括第一隔热膜以及第一缓冲膜，所述第一缓冲膜覆盖所述基体的第一面，且位于所述基体与所述第一隔热层之间；

所述热电堆传感器设于所述第一缓冲膜。

6.根据权利要求1所述的扩展量程真空测量芯片，其特征在于，所述扩展量程真空测量芯片还包括第二隔热层，所述第二隔热层设于所述基体的第二面。

7.根据权利要求1所述的扩展量程真空测量芯片，其特征在于，所述扩展量程真空测量芯片还包括钝化层，所述钝化层覆盖所述第一热敏传感器、第二热敏传感器、热辐射传感器和热电堆传感器。

8.一种扩展量程真空测量芯片的成形方法，其特征在于，所述成形方法包括：提供基体；

在所述基体的第一面沉积第一隔热层；

在所述基体的第一面沉积热电堆传感器；

在所述第一隔热层形成热辐射传感器、第一热敏传感器和第二热敏传感器；其中，第一热敏传感器、第二热敏传感器和所述热辐射传感器间隔设置；所述热辐射传感器包括热辐射源；

所述热电堆传感器与所述热辐射传感器间隔设置，且位于所述热辐射传感器远离所述第二热敏传感器的一侧；热电堆传感器靠近热辐射传感器，两者之间采用连续膜；所述热电堆传感器用于测量热辐射源通过热辐射传递的热量，以对超真空进行测量；

刻蚀所述基体的第二面形成隔热腔。

9.根据权利要求8所述的扩展量程真空测量芯片的成形方法，其特征在于，所述成形方法还包括在所述基体的第一面形成第三热敏传感器，其中，所述第三热敏传感器位于所述热电堆传感器远离所述热辐射传感器的一侧。

10.根据权利要求9所述的扩展量程真空测量芯片的成形方法，其特征在于，所述成形方法还包括形成覆盖所述第一热敏传感器、第二热敏传感器、第三热敏传感器、热辐射传感器和热电堆传感器的钝化层。

11.根据权利要求10所述的扩展量程真空测量芯片的成形方法，其特征在于，所述成形方法还包括刻蚀形成隔热槽，其中，所述隔热槽位于第一热敏传感器和第二热敏传感器的两侧，且连通所述隔热腔。

12.根据权利要求9所述的扩展量程真空测量芯片的成形方法，其特征在于，在所述基体的第一面形成第三热敏传感器的步骤后，还包括：在所述第一热敏传感器、第二热敏传感器、第三热敏传感器、热辐射传感器和热电堆传感器的两端分别形成焊接盘；

在所述第一热敏传感器、第二热敏传感器和热辐射传感器之间以及热电堆传感器与第三热敏传感器之间形成连接线，以连接所述焊接盘。

13.根据权利要求8‑12任一项所述的扩展量程真空测量芯片的成形方法，其特征在于，在所述基体的第一面沉积第一隔热层，包括：在基体的第一面依次沉积第一缓冲膜和第一隔热膜；

去除部分所述第一隔热膜并暴露所述第一缓冲膜；保留的第一隔热膜和第一缓冲膜形成第一隔热层。

14.根据权利要求8‑12任一项所述的扩展量程真空测量芯片的成形方法，其特征在于，所述成形方法还包括，形成覆盖所述基体的第二面的第二隔热层。

说明书

扩展量程真空测量芯片及其成形方法

技术领域

[0001] 本发明涉及真空测量技术领域，尤其是涉及一种扩展量程真空测量芯片及其成形方法。

背景技术

[0002] 真空传感器在高端制造中，特别是半导体产业有极为广泛的应用。目前的一些真空测量技术都存在动态范围小、精度低、气体成分依赖等问题。因此，对于高真空应用，必须
‑3
使用具有不同测量原理的多个真空传感器来满足要求。例如，在常压到10 Torr的低真空范
围内，皮拉尼（Pirani）或电容真空计占据了很大的比例，其结构简单，但极易损坏。更高的
真空或更低的压力则常采用离子真空计。但离子计要求高电压，成本高。此外，皮拉尼真空
计与气体介质有关，因为不同的气体具有不同的热导率。这将增加基于此测量原理的真空
计校准的复杂性，或者在测量环境可能有混合气体的实际应用中，测量不确定度将非常高。
这类真空计还不能测量气体大气压以上（正压）的压力，在真空快速变化时易于损坏。如需
检测真空环境的泄露，需要单独的传感器来测量。

[0003] 在高质量的薄膜沉积或半导体集成电路制造等真空应用中，需要至少10‑7Torr以上的真空，而且加工气体往往具有复杂的气体混合物，导致现有真空计的测量误差较大。真
空的过程控制对于生产效率以及许多分析仪器来说都是至关重要的，在这些仪器中，正确
的真空是精准控制过程的必要条件，而双传感器切换往往产生突变，使控制过程更加复杂
化，从而使过程控制大大滞后。因此，采用不同测量原理的双传感器真空计不是技术的最终
目标。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种扩展量程真空测量芯片及其成形方法，以缓解了现有真空测量技术因动态范围小、精度低、气体成分依赖等，导致测量范围受限，在高质量的薄
膜沉积或半导体集成电路制造等真空应用中，需要多个真空传感器配合使用来满足要求，
导致的控制过程更加复杂化，过程控制滞后的技术问题。

[0005] 本发明提供的扩展量程真空测量芯片，包括：

[0006] 基体，所述基体包括隔热腔；

[0007] 第一隔热层，所述第一隔热层覆盖所述基体的第一面，且位于所述隔热腔上方；

[0008] 第一热敏传感器，设于所述第一隔热层；

[0009] 第二热敏传感器；设于所述第一隔热层，且与所述第一热敏传感器间隔设置；

[0010] 热辐射传感器，设于所述第一隔热层，且位于所述第二热敏传感器远离所述第一热敏传感器的一侧；以及，

[0011] 热电堆传感器，设于所述基体的第一面，与所述热辐射传感器间隔设置，且位于所述热辐射传感器远离所述第二热敏传感器的一侧。

[0012] 进一步的，所述第一热敏传感器和所述第二热敏传感器的两侧设有隔热槽，所述隔热槽连通所述隔热腔。

[0013] 进一步的，所述第二热敏传感器的数量为两个，两个所述第二热敏传感器间隔设置，且均位于所述第一热敏传感器与所述热辐射传感器之间。

[0014] 进一步的，所述扩展量程真空测量芯片还包括第三热敏传感器，设于所述基体的第一面，且位于所述热电堆传感器远离所述热辐射传感器的一侧。

[0015] 进一步的，所述第一隔热层包括第一隔热膜；

[0016] 或者，所述第一隔热层包括第一隔热膜以及第一缓冲膜，所述第一缓冲膜覆盖所述基体的第一面，且位于所述基体与所述第一隔热层之间；

[0017] 所述热电堆传感器设于所述第一缓冲膜。

[0018] 进一步的，所述扩展量程真空测量芯片还包括第二隔热层，所述第二隔热层设于所述基体的第二面。

[0019] 所述第二隔热层包括第二隔热膜和第二缓冲膜；

[0020] 所述第二缓冲膜和所述第二隔热膜依次设于所述基体的第二面（即基体远离所述第一隔热层的侧面）。

[0021] 进一步的，所述扩展量程真空测量芯片还包括钝化层，所述钝化层覆盖所述第一热敏传感器、第二热敏传感器、热辐射传感器和热电堆传感器。

[0022] 本发明提供的扩展量程真空测量芯片的成形方法，所述成形方法包括：

[0023] 提供基体；

[0024] 在所述基体的第一面沉积第一隔热层；

[0025] 在所述基体的第一面沉积热电堆传感器；

[0026] 在所述第一隔热层形成热辐射传感器、第一热敏传感器和第二热敏传感器；其中，第一热敏传感器、第二热敏传感器和所述热辐射传感器间隔设置；

[0027] 刻蚀所述基体的第二面形成隔热腔。

[0028] 进一步的，所述成形方法还包括在所述基体的第一面形成第三热敏传感器，其中，所述第三热敏传感器位于所述热电堆传感器远离所述热辐射传感器的一侧。

[0029] 进一步的，所述成形方法还包括形成覆盖所述第一热敏传感器、第二热敏传感器、第三热敏传感器、热辐射传感器和热电堆传感器的钝化层。

[0030] 进一步的，所述成形方法还包括刻蚀形成隔热槽，其中，所述隔热槽位于第一热敏传感器和第二热敏传感器的两侧，且连通所述隔热腔。

[0031] 进一步的，在所述基体的第一面形成第三热敏传感器的步骤后，还包括：

[0032] 在所述第一热敏传感器、第二热敏传感器、第三热敏传感器、热辐射传感器和热电堆传感器的两端分别形成焊接盘；

[0033] 在所述第一热敏传感器、第二热敏传感器和热辐射传感器之间以及热电堆传感器与第三热敏传感器之间形成连接线，以连接所述焊接盘。

[0034] 进一步的，在所述基体的第一面沉积第一隔热层，包括：

[0035] 在基体的第一面依次沉积第一缓冲膜和第一隔热膜；

[0036] 去除部分所述第一隔热膜并暴露所述第一缓冲膜；保留的第一隔热膜和第一缓冲膜形成第一隔热层。

[0037] 进一步的，所述真空测量芯片的成形方法还包括，形成覆盖所述基体的第二面的第二隔热层。

[0038] 本发明提供的扩展量程真空测量芯片，包括：基体，所述基体包括隔热腔；第一隔热层，所述第一隔热层覆盖所述基体的第一面，且位于所述隔热腔上方；第一热敏传感器，
设于所述第一隔热层；第二热敏传感器；设于所述第一隔热层，且与所述第一热敏传感器间
隔设置；热辐射传感器，设于所述第一隔热层，且位于所述第二热敏传感器远离所述第一热
敏传感器的一侧；以及，热电堆传感器，设于所述基体的第一面，与所述热辐射传感器间隔
设置，且位于所述热辐射传感器远离所述第二热敏传感器的一侧。

[0039] 利用热飞行时间原理，通过第一热敏传感器和第二热敏传感器测量质量相关的热传导和调制波的热飞行时间（速度）来测量从大气压力或者以上到50Torr的压力；通过测量
‑6
第一热敏传感器到第二热敏传感器的热导率和热容量的信号来实现50Torr至10 Torr的真
‑6 ‑
空，通过热电堆传感器和热辐射传感器测量与真空相关的热辐射值来测量10 Torr至10
8
Torr的真空，本发明提供的扩展量程真空测量芯片，通过测量气体热性质来测量从正压到
真空直至高真空的扩展真空范围，该芯片适用于所有扩展量程真空测量，同时，该芯片不受
气体组分变化的影响，在真空快速变化时保持其可靠性，并可用于真空泄露的检测。

[0040] 本发明提供的扩展量程真空测量芯片的成形方法，所述成形方法包括：提供基体；在所述基体的第一面沉积第一隔热层；在所述基体的第一面沉积热电堆传感器；在所述第
一隔热层形成热辐射传感器、第一热敏传感器和第二热敏传感器；其中，第一热敏传感器、
第二热敏传感器和所述热辐射传感器间隔设置；刻蚀所述基体的第二面形成隔热腔。

[0041] 本发明提供的扩展量程真空测量芯片的成形方法，在基体的第一面沉积第一隔热层，并在第一隔热层上形成第一热敏传感器、第二热敏传感器和热辐射传感器，且在基体的
第一面沉积热电堆传感器，利用热飞行时间原理，通过第一热敏传感器和第二热敏传感器
‑6
测量热导率和热对流，测量从大气压力或者以上到10 Torr的真空，并通过热电堆传感器和
‑6 ‑8
热辐射传感器，利用热辐射值来测量10 Torr至10 Torr的真空，实现大量程的真空测量。
不会因为在开启真空室，或对真空室快速充气时造成芯片的损坏；还可用于对于真空室泄
露或密封不佳进行检测，从而大大简化和加速了真空控制过程。

附图说明

[0042] 为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的
附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前
提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0043] 图1为本发明实施例提供的扩展量程真空测量芯片的结构示意图；

[0044] 图2为本发明实施例提供的扩展量程真空测量芯片的成形方法的流程图；

[0045] 图3‑图11为本发明实施例提供的扩展量程真空测量芯片的成形方法的各步骤所呈现的结构图；

[0046] 图12为本发明实施例提供的扩展量程真空测量芯片的另一种结构的剖示图。

[0047] 图标：100‑基体；110‑隔热腔；120‑第一热敏传感器；121‑第二热敏传感器；122‑隔热槽；130‑热辐射传感器；140‑热电堆传感器；150‑第三热敏传感器；160‑焊接盘；161‑连接
线层；162‑连接线；170‑钝化层；210‑第一缓冲膜；220‑第一隔热膜；310‑第二缓冲膜；320‑
第二隔热膜。

具体实施方式

[0048] 下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技
术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范
围。

[0049] 如图1及图11所示，本发明实施例提供了一种扩展量程真空测量芯片，具体包括：

[0050] 基体100，基体100包括隔热腔110；基体100的材质优先选用但不限于硅，其中，可以通过标准的MEMS等离子体离子深蚀刻从基体100的背面移除部分硅材料形成述的隔热腔
110。充满空气或气体的隔热腔110为后续沉积在第一隔热层上的热敏传感器提供了最佳的
隔热效果，从而确保第一隔热层的平整度（这对飞行时间测量至关重要）。

[0051] 第一隔热层，第一隔热层覆盖基体100的第一面，且位于隔热腔110上方。

[0052] 本实施例中，第一热敏传感器120，设于第一隔热层；第二热敏传感器121；设于第一隔热层，且与第一热敏传感器120间隔设置。

[0053] 其中，第一热敏传感器120优选地由热温度系数高的金属和其他具有高导热性的稳定金属材料的电子束蒸发制成，其材质包括但不限于铂、钨、镍或者多晶硅；同理，第二热
敏传感器121的材质包括但不限于铂、钨、镍或者多晶硅；由于铂的稳定性和工艺均匀性，因
此，第一热敏传感器120和第二热敏传感器121的材质优选为金属铂，可以通过电子束蒸发
或物理气相沉积（PVD）制备。第一热敏传感器120和第二热敏传感器121为具有微加热功能
的热敏传感器。

[0054] 第一热敏传感器120和第二热敏传感器121的厚度为100‑500纳米。优选地，第一热敏传感器120和第二热敏传感器121的厚度为200‑250纳米；最优为。

[0055] 需要说明的是，第一热敏传感器120与第二热敏传感器121之间的距离为2‑150微米。第一热敏传感器120与第二热敏传感器121之间的距离优选为2‑60微米。其中，第一热敏
传感器120与第二热敏传感器121之间的距离为50微米。

[0056] 热辐射传感器130，设于第一隔热层，且位于第二热敏传感器121远离第一热敏传感器120的一侧；以及，热电堆传感器140，设于基体100的第一面的第一缓冲膜210的表面。
且与热辐射传感器130间隔设置，且位于热辐射传感器130远离第二热敏传感器121的一侧。

[0057] 具体地，热辐射传感器130优选地采用高热辐射材料制作，可以包括但不限于金属钨。热电堆传感器140优选采用具有高塞贝克系数的材料制成，例如掺杂的多晶硅，掺杂多
晶硅可以通过低压化学气相沉积（LPCVD）或PVD制备。热辐射传感器130与热电堆传感器140
之间的水平距离优选为1微米至4微米，最优选为1微米。热辐射传感器130包括热辐射源，热
电堆传感器140用于测量热辐射源通过热辐射传递的热量，从而对超高真空进行测量。

[0058] 本实施例提供的扩展量程真空测量芯片，利用热飞行时间原理，通过第一热敏传感器120和第二热敏传感器121测量质量相关的热传导和调制波的热飞行时间（速度）来测
量从大气压力或者以上（正压）到50Torr的压力；通过测量第一热敏传感器120到第二热敏
‑6
传感器121的热导率和热容量的信号来实现50Torr至10 Torr的真空，通过热电堆传感器
‑6 ‑8
140和热辐射传感器130测量与真空相关的热辐射值来测量10 Torr至10 Torr的真空，通
过测量真空范围的气体热性质来测量从正压到真空直至超高真空的扩展真空范围，该芯片
适用于扩展量程真空测量，同时，该芯片不受压力快速变化的影响，并可用于真空泄露的检
测。

[0059] 需要说明的是，如图1中所示，本实施例中，X表示第一方向，Y表示第二方向，本实施例中的第一热敏传感器120、第二热敏传感器121、第三热敏传感器150、热辐射传感器
130、热电堆传感器140以及隔热槽122均沿第一方向延伸，且在第二方向上间隔设置，结合
附图，可以理解的是，以下所述的某一结构的两侧是指在第二方向上，以下所述的某一结构
的两端是指在第二方向上。

[0060] 本实施例中，具有集成热敏元件的扩展量程真空测量芯片将具有用于测量热对流的第一热敏传感器120和第二热敏传感器121，其具有复数以消除偏移不稳定性以及用于气
体热特性测量。热电堆传感器140不是成对的，但靠近热辐射传感器130，以便测量热辐射。
热辐射传感器130和第一热敏传感器120以及第二热敏传感器121之间采用隔热槽122进行
隔离，以达到最佳的热隔离效果，但在测量辐射时，热辐射传感器130和热电堆传感器140之
间采用连续膜。

[0061] 第一热敏传感器120和第二热敏传感器121将用于测量由于真空变化而引起的气体热扩散系数及热对流变化。其均采用外部电源供电，最好采用恒功率模式供电，以便更容
易进行温度校正。通过关联所测热参数与真空，从而得到真空的测量目的。

[0062] 因为不同气体的热性能大多具有差异性，如仅仅测量气体的热导，则当所测气体与校准时的气体的热导不一致时，会产生较大的测量误差。在大多数情况下，真空传感器仅
针对一种通常为空气的气体进行标定。为了消除热导率的气体依赖性测量，如图12所示，本
实施例中，第二热敏传感器121的数量为两个，两个第二热敏传感器121间隔设置，且均位于
第一热敏传感器120与热辐射传感器130之间。具体地，在第一热敏传感器120旁边放置两个
第二热敏传感器121，并且两个第二热敏传感器121之间也设置有隔热槽122进行热隔离。

[0063] 根据热传导原理，距离热源x处的经时间t的传热量在无介质流动的情况下遵循如下关系：

[0064]

[0065] 其中，k为介质的热导率；α为热扩散系数；T为温度；Q为输出热能量。因此，通过测量在不同位置的传热量，即可实现与气体热参数无关的相对传热量，从而实现与气体介质
无关的真空测量。

[0066] 具体而言，在第一热敏传感器120上加载热调制波，其下游的两个第二热敏传感器121同时测量和记录特定被测气体的热传导和调制波的热飞行时间（速度），再按照上述公
式求解，来消除于气体相关的热响应，实现与气体无关的真空测量。

[0067] 本实施例提供的扩展量程真空测量芯片独立于任何介质成分。将优选热飞行时间传感原理用于正压到低真空的测量。通过这种方法，在第一热敏传感器120上加载调制热
波，采用下游的两个第二热敏传感器121来记录热传导，并且这两个第二热敏传感器121到
第一热敏传感器120的两个相应距离不具有整数比。热敏传感器因此，热导率和热扩散系数
可以通过两个独立的第二热敏传感器121从两个单独的测量值中推导和求解热对流来测
量。或者，由第一热敏传感器120产生的热波具有多个频率，并且两个感测热敏传感器将记
录来自每个频率的数据，这些数据可以进一步用于推导热导率和热扩散系数。此后，测量的
热导率和热扩散系数可以根据校准条件，实现不依赖于气体特性的真空测量。

[0068] 本实施例的另一个目的，采用热调制波的方式，在获取气体的热质量特征外可同时通过对热调制波的时序和幅值测量获得热扩散系数及质量参数。因为热扩散系数与密度
相关，其变化量直接与体积相关，通过质量参数的比对，该参量可以用于测量大气压以上的
气体正压压力。而芯片本身的隔热膜设置压力平衡结构，当气体压力快速变化时也不会造
成的损坏。同时，时序信号的高灵敏度，可测量在大气压附近压力的微小变化，从而该信号
可进一步用于对于真空泄露的检测。这一实施方案解决了目前真空测量（如皮拉尼真空计）
仅通过测量介质热导测量真空的缺陷。因为热导率在大气压以上很大范围内会变成常数，
从而导致大气压力和高于大气压力的范围无法测量压力的变化，而只能在大约20托的压力
下的真空开始测量。利用本实施方案，可实现0 800kPa范围正压压力的测量。
~

[0069] 当气体密度降低到与热导率变化相对应的数据不再有意义的水平时（通常在接近1mTorr的真空下），真空热导率的测量的分辨率变得很小，因此测量精度受到限制。然而，在
一定的封闭空间内，真空的降低是通过抽走该空间的气体来实现的，因此在一定的空间内
任何地方的气体流动性都不会是静止的。气体离开该空间的速度将产生对热对流有直接影
响的质量流。在本实施例中，通过加热第一热敏传感器120并测量其和第二热敏传感器121
之间的温差来测量对流。在这种情况下，特定气体的热性质将不会起到重要作用，例如热导
率变化很小。因此，对气体的依赖性不会增加测量的不确定性。此时，优选在第一热敏传感
器120上施加热调制波并测量第二热敏传感器121的热飞行时间参数。通过调制热波，可以
测量热对流和质量流量，并且这两个数据可以直接与被测封闭空间的真空相关。如果传感
元件被放置在一个非常狭窄的空间中，其尺寸明显小于封闭气体的平均自由程，则该测量
‑8
可扩展该芯片的动态范围以记录高达10 Torr的真空。

[0070] 当所定义空间的真空水平达到超高真空状态时（通常为大于10‑6Torr以上），气体迁移率辅助的热对流也将很难检测到，因为可能产生信号的分子量非常有限。热辐射将是
热传递的主要因素。热辐射也是真空的一个函数，因为热传递是可用分子数的直接量度。而
热辐射传感器130和热电堆传感器140的组合将用于此目的，与第一热敏传感器120和第二
热敏传感器121不同，热辐射传感器130的旁边没有用于隔热的隔热槽122。相反，它被设计
成在靠近热电堆传感器140以获得最高的灵敏度。热辐射传感器130和热电堆传感器140之
间的距离设置在小于10微米的范围内，并且优选在1‑4微米的范围内，最优为1微米。用于制
造热辐射传感器130的材料优选为具有高热辐射发射率的材料，例如钨。由热电堆传感器
‑8
140测得的热辐射变化将用于关联10 Torr和更高真空值的超高真空状态下的真空水平。

[0071] 为了降低背景热传递噪声，热辐射传感器130可以采用可调功率的热辐射源，这样就可以取消背景热传递，以获得由于真空变化而产生的最佳效果。

[0072] 扩展量程真空测量芯片还包括第三热敏传感器150，设于基体100的第一面，且位于热电堆传感器140远离热辐射传感器130的一侧。

[0073] 第三热敏传感器150被设计用于测量基体100的温度，使得其能够向第一热敏传感器120、第二热敏传感器121和热辐射传感器130提供反馈并补偿随环境温度变化的温度系
数，以便在电气控制电路内实现真正的恒定功率或恒定温度模式。

[0074] 需要说明的是，第一热敏传感器120、第二热敏传感器121、第三热敏传感器150、热辐射传感器130和热电堆传感器140均通过连接线162与设置在其两端的焊接盘160连接，用
于将其获得的信号传输到控制电路。

[0075] 具体地，第一隔热层可以包括第一隔热膜220，第一隔热膜220优选但不限于聚对二甲苯，其中，第一隔热膜220的厚度为2‑6微米，优选为3微米。

[0076] 作为本实施例的另一种结构形式，第一隔热层还可以包括第一隔热膜220以及第一缓冲膜210，第一缓冲膜210覆盖基体100的第一面，且位于基体100与第一隔热层之间；具
体地，第一缓冲膜210设于基体100的第一面，第一隔热层设于第一缓冲膜210的部分表面，
其中，第一缓冲膜210可以包括低应力氮化硅或者氮化硅与二氧化硅的复合膜，第一隔热膜
220优选但不限于聚对二甲苯，这样有利于减少第一隔热膜220与基体100之间的应力。第一
缓冲膜210的厚度为0.5‑5微米，优选为1微米，第一隔热膜220的厚度优选为2微米。

[0077] 第一热敏传感器120和第二热敏传感器121的两侧设有隔热槽122，隔热槽122连通隔热腔110。隔热槽122的宽度小于5微料，优选地，隔热槽122的宽度小于3微米。

[0078] 具体地，第一热敏传感器120远离第二热敏传感器121的一侧，第二热敏传感器121远离第一热敏传感器120的一侧以及第一热敏传感器120与第二热敏传感器121之间均设有
隔热槽122。隔热槽122贯穿第一隔热膜220（或者第一隔热膜220和第一缓冲膜210）后与隔
热腔110连通，

[0079] 该隔热槽122连接被第一隔热膜220（或者第一隔热膜220和第一缓冲膜210）隔开的第一热敏传感器120和第二热敏传感器121的上下空间。这些隔热槽122不仅为热敏传感
器提供了最佳的热隔离，而且还作为第一隔热膜220的平衡器，使其在压力下保持平整，因
为隔热槽122允许在不同压力下快速交换气体。

[0080] 扩展量程真空测量芯片还可以包括第二隔热层，第二隔热层设于基体100的第二面。

[0081] 具体地，第二隔热层包括第二隔热膜320和第二缓冲膜310；第二缓冲膜310和第二隔热膜320依次设于基体100的第二面（也即基体100远离第一隔热层的侧面）。

[0082] 需要说明的是，第二缓冲膜310可以包括低应力氮化硅或者氮化硅与二氧化硅的复合膜，第二隔热膜320优选但不限于聚对二甲苯，这样有利于减少第二隔热膜320与基体
100之间的应力。第二缓冲膜310的厚度为0.5‑5微米，优选为1微米，第二隔热膜320的厚度
优选为2微米。

[0083] 进一步的，扩展量程真空测量芯片还包括钝化层170，钝化层170覆盖第一热敏传感器120、第二热敏传感器121、热辐射传感器130和热电堆传感器140。

[0084] 具体地，利用钝化层170实现对基体100的第一面和设置于第一面的各传感元件的覆盖。其中，钝化层170的材料具有优异的导热性，同时具有较好的机械强度，优选地，钝化
层170的材质为使用等离子体增强化学气相沉积法沉积的氮化硅或碳化硅，其厚度范围在
100‑500纳米之间，优选值为300纳米，以获得最佳的表面覆盖路、机械强度和材料稳定性。

[0085] 利用碳化硅作为支撑第一隔热膜220材料以及热敏元件的钝化层170。为了防止污染，第一隔热膜220上的热敏传感器需要朝向隔热腔110，这样传感元件的灵敏度不会因介
质表面的沉积物而改变。在钝化层170的上表面生长另一个具有导热单体或聚合物的表面
钝化层170，以钝化表面的活性化学键。

[0086] 具有扩展动态范围的扩展量程真空测量芯片，包括基体100、第一隔热膜220以及设置在隔热膜上的第一热敏传感器120、第二热敏传感器121和热辐射传感器130，还包括设
置在基体100上的热电堆传感器140和第三热敏传感器150，用于从高于大气压力到超高真
空的扩展压力范围的测量。它利用热飞行时间原理，通过对特定压力值或气体密度下的热
扩散和热响应，测量高于大气的压力至高真空，对于从大气压到低真空的压力，与真空变化
单调对应的热导率测量起着核心作用。在低真空到高真空范围内，导热系数和热对流的综
合作用将有助于测量。在超高真空下，通过测量不同气体密度下的热辐射来实现真空的测
量。

[0087] 本实施例是根据真空中的热性能，利用扩展量程真空测量芯片的集成优势，设计和制造大量程真空测量传感芯片，使得可以根据需要实现单一芯片真空传感的大动态范围
测量，对大多工艺流程提高测控效率。对于真空测量芯片，热飞行时间传感将感测热导率和
热对流，而热辐射将在超高真空状态下测量。比较现有的只测量热导率的微型真空传感器，
本申请的设计和制造工艺，对扩展量程真空测量芯片的真空测量能力有大的提升。扩展量
程真空测量芯片具有第一热敏传感器120（包括微加热器）和第二热敏传感器121，热敏传感
器制造在隔膜结构的第一隔热膜220上，隔膜结构的第一隔热膜220通过其上的隔热槽122
狭缝进一步进行隔热。在时域中增加检测允许该芯片甚至可以测量高于大气压力的压力变
化。在常压至正压范围，气体热导率几乎不变，因此皮拉尼真空计对接近常压以上的压力变
化无法测量。热对流测量能够响应压力变化或气体密度变化。当压力从大气压力降低到低
真空时，导热系数将显著降低，热导的变化可对真空的测量非常有效。然而，当真空压力达
‑3
到10 Torr及更高真空时，由于气体密度降低，分子的间距增大，热导率对压力变化无法测
量。然而，随着第一热敏传感器120的微加热器功率的调整，气体分子数持续降低，热对流仍
然存在。在超高真空范围内，热对流的分子数进一步减少，信号微弱，很难被探测到，但此
时。热辐射传感器130产生热辐射，并且热辐射也会随着真空压力的变化而变化。在测量过
程中，可以通过改变驱动频率来消除与热测量有关的气体，驱动频率将用于相同的测量原
理，但会产生不同的振幅值以及飞行时间数据，这些数据可用于推断特定气体的热特性（导
热性和热电容），然后这些值可以作为校准气体特性的参考，以消除与气体相关的参数。或
者，例如对于热导率测量，可以同时加热两个第二热敏传感器121，但温度不同，并且还可以
使用来自这两个第二热敏传感器121的这些测量的比率来去除与气体相关的测量参数。

[0088] 如图2至图11所示，基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种扩展量程真空测量芯片的成形方法，该成形方法具体包括：

[0089] S1，提供基体100。

[0090] S2，在基体100的第一面沉积第一隔热层。

[0091] S3，在基体100的第一面沉积热电堆传感器140。

[0092] S4，在第一隔热层形成热辐射传感器130、第一热敏传感器120和第二热敏传感器121；其中，第一热敏传感器120、第二热敏传感器121和热辐射传感器130间隔设置。

[0093] S5，刻蚀基体100的第二面形成隔热腔110。

[0094] 本实施例提供的扩展量程真空测量芯片的成形方法，在基体100的第一面沉积第一隔热层，并在第一隔热层上形成第一热敏传感器120、第二热敏传感器121和热辐射传感
器130，且在基体100的第一面沉积热电堆传感器140，利用热飞行时间原理，通过第一热敏
‑
传感器120和第二热敏传感器121测量热导率和热对流，测量从大气压力或者以上到10
6 ‑6
Torr的真空，并通过热电堆传感器140和热辐射传感器130，利用热辐射值来测量10 Torr
‑8
至10 Torr的真空，实现大量程的真空测量。不会因为在开启真空室，或对真空室快速充气
时造成芯片的损坏；还可用于对于真空室泄露或密封不佳进行检测，从而大大简化和加速
了真空控制过程。

[0095] 如图3所示，在基体100的第一面沉积第一隔热层，包括：

[0096] 在基体100的第一面依次沉积第一缓冲膜210和第一隔热膜220；去除部分第一隔热膜220并暴露第一缓冲膜210；保留的第一隔热膜220和第一缓冲膜210形成第一隔热层。

[0097] 具体地，如图4所示，为使电热堆结构工作在最佳状态，第一隔热层包括第一隔热层和第一缓冲层，采用干刻蚀的方式去除部分第一隔热膜220，在第一缓冲膜210形成空间
103，以在其上制作热电堆传感器140，第一缓冲层用于调节应力，提高芯片长期工作时的可
靠性。

[0098] 该成形方法还包括，形成覆盖基体100的第二面的第二隔热层。第二隔热层包括第二缓冲膜310和第二隔热膜320，具体包括，在基体100的第二面依次沉积第二缓冲膜310和
第二隔热膜320。

[0099] 需要说明的是，第一隔热膜220和第二隔热膜320的材质优先采用得不限于聚对二甲苯，根据具体工艺流程，第一缓冲膜210和第二缓冲膜310可以采用低应力氮化硅或氮化
硅和二氧化硅的复合膜结构。具体地，第一隔热膜220和第二隔热膜320的材质选用聚对二
甲苯，其厚度优选为2微米到6微米；最优选为3微米。当第一隔热层包括第一缓冲膜210和第
一隔热膜220，第二隔热层包括第二缓冲膜310和第二隔热膜320时，则首先沉积低应力氮化
硅或氮化硅和二氧化硅的复合膜，其厚度则优选为1微米；而后沉积聚对二甲苯，其厚度优
选为2微米。

[0100] 如图5所示，热电堆传感器140优选采用化学气相沉积或物理气相沉积的方式制作n‑型多晶硅，刻蚀成形，而后在在其上形成p‑型多晶硅、成形，并将二者连接在一起的构成
多个热电偶的组合成为热电堆传感器140。热电堆传感器140制作完成后，如图5所示，在紧
邻热电堆传感器140但位于第一隔热膜220上优选采用物理气相沉积的方式制作热辐射传
感器130。热辐射传感器130优选地采用高热辐射材料制作，最优选为金属钨。热辐射传感器
130于热电堆传感器140之间的水平距离优选为1微米到4微米，最优选为1微米。

[0101] 其中，该成形方法还包括在基体100的第一面形成第三热敏传感器150，其中，第三热敏传感器150位于热电堆传感器140远离热辐射传感器130的一侧。

[0102] 如图6所示，采用物理气相沉积的方式继续分别在第一隔热膜220以及第一缓冲膜210上制作第一热敏传感器120、第二热敏传感器121和第三热敏传感器150。其中，第一隔热
膜220上的第一热敏传感器120及第二热敏传感器121将用于热导和热扩散的测量，而第一
缓冲膜210上的第三热敏传感器150用于测量环境温度以修正其他热敏传感器及热辐射传
感器130的因环境温度变化而改变的材料温度系数。上述的热敏传感器材料优选地采用金
属铂制作，其厚度优选在100‑300纳米的范围内，但是最优选为150纳米。

[0103] 如图7所示，在基体100的第一面形成第三热敏传感器150步骤后，还包括：

[0104] 在第一热敏传感器120、第二热敏传感器121、第三热敏传感器150、热辐射传感器130和热电堆传感器140的两端分别形成焊接盘160。

[0105] 在第一热敏传感器120、第二热敏传感器121和热辐射传感器130之间以及热电堆传感器140与第三热敏传感器150之间形成连接线162，以连接焊接盘160。

[0106] 需要说明的是，优选采用电子束沉积的方式并化学刻蚀制作连接线162，从而实现各已制作的元件信号与焊接盘160之间的信号连接。连接线162和焊接盘160优选采用电阻
小的金属金制作，也可采用金属铝。本实施例中，连接线162的厚度优选在100‑300纳米的范
围内，但是最优选为200纳米，如此，能够优化材料稳定性电阻值及不影响各元件性能。

[0107] 如图8所示，该成形方法还包括形成覆盖第一热敏传感器120、第二热敏传感器121、第三热敏传感器150、热辐射传感器130和热电堆传感器140的钝化层170。

[0108] 具体地，对基体100的第一面的所有区域进行表面钝化，以覆盖基体100的第一面和设置于第一面的各传感元件。如此设置，能够防止各元件的短路以及其他不可预期的可
靠性及增强表面的耐磨性，实现了集成真空传感芯片的保护。其中，用于钝化层170的材料
具有优异的导热性，同时具有较好的机械强度，优选地，钝化层170的材质为使用等离子体
增强化学气相沉积法沉积的氮化硅或碳化硅，其厚度范围在100‑500纳米之间，优选值为
300纳米，以获得最佳的表面覆盖路、机械强度和材料稳定性。

[0109] 如图10所示，该成形方法还包括刻蚀形成隔热槽122，其中，隔热槽122位于第一热敏传感器120和第二热敏传感器121的两侧，且连通隔热腔110。

[0110] 在基体100的第一面的第一热敏传感器120和第二热敏传感器121的两边采用物理刻蚀的方式分别开设隔热槽122，隔热槽122贯穿整个第一隔热层，已使第一热敏传感器120
及第二热敏传感器121的效率最高。此外，同一工艺过程也可以去除焊接盘160上覆盖的钝
化材料形成焊接空间。

[0111] 具体地，上述形成连接线162的步骤包括，在第一热敏传感器120、第二热敏传感器121和热辐射传感器130之间以及热电堆传感器140与第三热敏传感器150之间分别沉积连
接线层161，以连接焊接盘160；刻蚀形成隔热槽122还包括：刻蚀连接线层161形成连接线
162；刻蚀钝化层170并暴露焊接盘160。

[0112] 如图11所示，在基体100的第二面与各传感元件相对的一面挖槽，在第一隔热层之下的基体100中形成隔热腔110，为第一热敏元件120和第二热敏传感器121提供与气体介质
的热隔离，从而确保了热敏元件的灵敏度。同时，保障了热辐射传感器130的辐射效率。隔热
腔110的位置设置还可以确保热电堆传感器140横跨隔热腔110的边缘，形成热电堆传感器
140的热端在第一隔热膜220上而冷端在基体100或者第一缓冲层上，确保热电堆传感器140
的正常工作。

[0113] 如图3至图11所示，在基体100的第一面依次沉积第一缓冲膜210和第一隔热膜220；在基体的第二面依次沉积第二缓冲膜310和第二隔热膜320；去除部分第一隔热膜220
并暴露第一缓冲膜210；保留的第一隔热膜220和第一缓冲膜210形成第一隔热层；在第一缓
冲膜210上沉积热电堆传感器140；在第一隔热膜220上沉积热辐射传感器130；在第一隔热
膜220上制作第一热敏传感器120和第二热敏传感器121，在第一缓冲膜210上制作第三热敏
传感器150；在第一热敏传感器120、第二热敏传感器121和热辐射传感器130之间以及热电
堆传感器140与第三热敏传感器150之间分别沉积连接线层161，以连接焊接盘160；在基体
100的第一面的所有区域沉积钝化层170；刻蚀形成隔热槽122，刻蚀连接线层161以形成连
接线162，同时，去除焊接盘160上覆盖的钝化材料形成焊接空间；在基体100的第二面刻蚀，
在第一隔热层的第一缓冲层210之下的基体100中形成隔热腔110，最终形成扩展量程真空
测量芯片。

[0114] 需要说明的是，本实施例中，还采用涉及了许多常规的微机电系统芯片制备工艺，本实施例并未对此进行改进，故不一一进行赘述。

[0115] 本实施例提供的扩展量程真空测量芯片的成形方法及制程具有以下特征：对于扩展量程真空测量芯片产品，越高的产量其生产成本更为低廉。微机电系统真空传感芯片的
制造方法还使得该传感芯片具有基本完全一致的特性，便于实现规模化生产。

[0116] 综上所述，本发明提供的扩展量程真空测量芯片，包括：基体100，基体100包括隔热腔110；第一隔热层，第一隔热层覆盖基体100的第一面，且位于隔热腔110上方；第一热敏
传感器120，设于第一隔热层；第二热敏传感器121；设于第一隔热层，且与第一热敏传感器
120间隔设置；热辐射传感器130，设于第一隔热层，且位于第二热敏传感器121远离第一热
敏传感器120的一侧；以及，热电堆传感器140，设于基体100的第一面，与热辐射传感器130
间隔设置，且位于热辐射传感器130远离第二热敏传感器121的一侧。利用热飞行时间原理，
通过第一热敏传感器120和第二热敏传感器121测量质量相关的热传导和调制波的热飞行
时间（速度）来测量从大气压力或者以上到50Torr的压力；通过测量第一热敏传感器120到
‑6
第二热敏传感器121的热导率和热容量的信号来实现50Torr至10 Torr的真空，通过热电堆
‑6 ‑8
传感器140和热辐射传感器130测量与真空相关的热辐射值来测量10 Torr至10 Torr的真
空，本发明提供的真空测量芯片，通过测量真空范围的气体热性质来测量从正压到真空直
至超高真空的扩展真空范围，该芯片适用于扩展量程真空测量，同时，该芯片不受气体组分
变化的影响，在真空快速变化时保持其可靠性，并可用于真空泄露的检测。

[0117] 本发明提供的扩展量程真空测量芯片的成形方法，该成形方法包括：提供基体100；在基体100的第一面沉积第一隔热层；在基体100的第一面沉积热电堆传感器140；在第
一隔热层形成热辐射传感器130、第一热敏传感器120和第二热敏传感器121；其中，第一热
敏传感器120、第二热敏传感器121和热辐射传感器130间隔设置；刻蚀基体100的第二面形
成隔热腔110。本发明提供的真空测量芯片的成形方法，在基体100的第一面沉积第一隔热
层，并在第一隔热层上形成第一热敏传感器120、第二热敏传感器121和热辐射传感器130，
且在基体100的第一面沉积热电堆传感器140，利用热飞行时间原理，通过第一热敏传感器
‑6
120和第二热敏传感器121测量热导率和热对流，测量从大气压力或者以上到10 Torr的真
‑6 ‑8
空，并通过热电堆传感器140和热辐射传感器130，利用热辐射值来测量10 Torr至10 Torr
的真空，实现大量程的真空测量。不会因为在开启真空室，或对真空室快速充气时造成芯片
的损坏；还可用于对于真空室泄露或密封不佳进行检测，从而大大简化和加速了真空控制
过程。

[0118] 虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所
限定的范围为准。

[0119] 最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作
之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”或者其任何其他变体意在涵盖
非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要
素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备
所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在
包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0120] 上述实施例中，诸如“上”、“下”等方位的描述，均基于附图所示。

[0121] 对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的
一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明
将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一
致的最宽的范围。