王浩志

(中國石化青島安全工程研究院，山東青島 266104)

0 前言

1654年，德堡半球?qū)嶒?yàn)第一次證明了真空狀態(tài)的存在。如今真空壓力傳感器廣泛用于工業(yè)和科學(xué)研究領(lǐng)域，種類繁多，樣式各異。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，尤其是微化工技術(shù)的興起，人們亟需高精度、寬有效測(cè)量范圍、低功耗、小尺寸器件。

根據(jù)測(cè)量原理不同，氣壓傳感器可分為3類：氣體熱擴(kuò)散式、帶電粒子作用式、機(jī)械式氣壓傳感器。皮拉尼真空傳感器是一種用于測(cè)量真空系統(tǒng)壓力的熱傳導(dǎo)氣壓傳感器。它是1906年由馬塞洛·皮拉尼(Marcello Pirani)發(fā)明的，因其結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于10～10Pa真空環(huán)境的測(cè)量。目前常用的皮拉尼真空規(guī)體積大、功耗較高、響應(yīng)范圍與靈敏度局限性較大。近年來隨著微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)與二維材料加工技術(shù)的發(fā)展，在保證一定性能的同時(shí),傳感元件的尺寸大幅縮減到微納尺度，而二維材料的高比表面積、高熱導(dǎo)率、高溫度電阻系數(shù)也有助于提高傳感器的各項(xiàng)性能。本文設(shè)計(jì)了一種基于二維材料的MEMS皮拉尼氣壓傳感器，并進(jìn)行了加工與測(cè)試。

1 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

1.1 器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

經(jīng)典的皮拉尼氣壓傳感器原理模型可以被看成是電加熱絲和散熱片的組合，其工作原理也可以視為隨著氣壓變化,電加熱絲的熱損耗速率也隨之變化。

電熱絲產(chǎn)生的熱量(

P

=

I

·

R

)通過3種形式散失，見圖1。圖中

Q

為通過固體的熱擴(kuò)散；

Q

為熱輻射；

Q

為通過氣體的熱擴(kuò)散，與氣壓有關(guān)。

圖1 經(jīng)典皮拉尼真空傳感器示意

熱量只有通過氣體擴(kuò)散

Q

時(shí)受到氣壓的影響。當(dāng)以恒定電流加熱時(shí)，電熱絲溫度與氣壓的關(guān)系如圖2所示。在低氣壓下與金屬絲碰撞的氣體分子數(shù)量較少，因此導(dǎo)線的散熱速率比氣壓高時(shí)低，這將導(dǎo)致金屬絲在一個(gè)較高的溫度達(dá)到產(chǎn)熱-散熱平衡。

圖2 皮拉尼傳感器溫度-氣壓對(duì)應(yīng)關(guān)系

1.2 二維材料選擇

在二維材料中，電子可以在兩個(gè)非納米尺度上自由移動(dòng)。這一特性帶來了很多引人注目的特點(diǎn)，以單層石墨烯為例：高透明度(可見光譜中97.7%的透光率)，室溫下高熱導(dǎo)系數(shù)(3×10W/(m·K))，高電導(dǎo)率(約10Ωcm)，高楊氏模量(1.1×10Pa)，高比表面積(2 630 m/g)等。

近年來，類似石墨烯的二維過渡金屬硫化物(Transition metal dichalcogenides，TMDCs)引起人們廣泛的研究興趣。二硫化鉬(Molybdenum disulfide，MoS)是應(yīng)用最廣泛也是最穩(wěn)定的TMDCs材料之一。在單層MoS薄膜中，Mo(+4)與S(-2)通過共價(jià)鍵以S-Mo-S的順序組成三明治結(jié)構(gòu)，三明治夾層之間則以相對(duì)較弱的范德華力(van der Waals forces)連接。通常來說單層MoS的厚度約0.65 nm。MoS擁有與石墨烯相似的機(jī)械柔性，楊氏模量約為(0.33±0.07)×10Pa。其溫度電阻系數(shù)(The temperature coefficient of resistance，TCR)約為-2.9×10K(300 K),為常見二維材料最高，這對(duì)于提高器件靈敏度至關(guān)重要。多層MoS熱導(dǎo)率約為34 W·mK(T=300 K)，比石墨烯略低。

1.3 分析模型

該器件的分析模型是基于熱導(dǎo)率模型的，假設(shè)膜區(qū)

A

受熱均勻。

輻射熱損失由Stefan-Boltzmann定律和Kirchhoff輻射定律近似計(jì)算。在模擬中，由于器件尺寸較小，熱輻射可以忽略不計(jì)。

公式(1)表明了熱導(dǎo)率模型的主要關(guān)系：

T

-

T

=

N

∕(

G

+

G

+

G

)

(1)

T

與

T

表示材料薄膜的溫度，

N

為熱量，

G

,

G

和

G

分別為固體熱導(dǎo)率、熱輻射損失和氣體熱導(dǎo)率。固體熱導(dǎo)率

G

可以由導(dǎo)熱系數(shù)

λ

,膜厚度

d

，膜長

l

與膜寬度

b

組成的方程表示。部分器件可能有多片并聯(lián)的材料薄膜，因此

k

為材料薄膜的層數(shù)。

(2)

(3)

Wutz的研究表明，所有氣壓條件下氣體熱導(dǎo)率(

λ

(

p

,

d

))可以由如式(4)近似表達(dá)：

(4)

(5)

其中，

p

為實(shí)際氣壓，

p

為大氣壓。

k

為常數(shù)，

d

為分子有效半徑。熱輻射損失

G

由加熱絲溫度

T

與環(huán)境溫度

T

之差、有效面積

A

、與表面熱交換系數(shù)

ε

、調(diào)節(jié)系數(shù)

σ

決定：

(6)

在MEMS器件中，有效面積

A

非常小，因此通常情況下可以忽略熱輻射損失。通過以上公式可以得出，增大

G

的同時(shí)減小

G

有助于提高器件在不同氣壓下溫度變化的幅度，可以間接提高響應(yīng)信號(hào)的幅值，進(jìn)而提高器件的靈敏度。同時(shí)根據(jù)以上公式可以通過目標(biāo)的真空測(cè)量范圍確定傳感器的尺寸參數(shù)。

1.4 COMSOL仿真

通過上文的分析計(jì)算，可以確定所設(shè)計(jì)的傳感器尺寸約為16 μm×5 μm×70 nm，有效測(cè)量區(qū)間約為10～10Pa，結(jié)構(gòu)如圖3。為了進(jìn)一步降低通過固體接觸的熱散失，使用了表面有SiN材料的硅片作為基底。COMSOL仿真結(jié)果如圖4所示，可以看出傳感器性能符合預(yù)期，整體功耗為10W。

圖3 皮拉尼真空規(guī)COMSOL仿真結(jié)構(gòu)

圖4 COMSOL仿真結(jié)果

2 傳感器加工

傳感器基板選用的是表面采用LPCVD法生長SiN層(100 nm, 雙面)的硅片((525±25)μm,N-type, <100>, 1～10 Ω·cm, 2SP)(圖5(a))。第一步，旋涂一層光刻膠(EBL)(圖5(b))。之后利用掩膜與電子束在表面加工出需要的圖案(圖5(c))。利用電子束沉積5 nm Cr作為金屬部件連接材料，以1 ?/s的速度在整個(gè)硅片表面沉積50 nm Au(圖5(d))。在丙酮溶液中浸泡24 h清洗掉光刻膠(圖5(e))。

圖5 基于MoS2二維材料的皮拉尼真空傳感器加工流程

MoS二維材料的獲取與轉(zhuǎn)移采用的是全干燥粘貼轉(zhuǎn)移法(all-dry viscoelastic stamping method)。首先是材料的制備，使用Nitto blue tape(Nitto Denko Co., SPV 224P)從塊狀MoS二維材料上粘取小塊材料，之后膠帶多次貼合分離獲得僅有幾層分子厚的MoS材料，將材料從膠帶轉(zhuǎn)移到PDMS基轉(zhuǎn)移板上，之后在顯微鏡下進(jìn)行檢查篩選，選取厚度大小合適的材料進(jìn)行轉(zhuǎn)移。最后通過三維運(yùn)動(dòng)平臺(tái)和顯微鏡小心地將選定好的材料轉(zhuǎn)移到加工好的MEMS芯片上，輕輕揭掉PDMS基轉(zhuǎn)移板，MoS二維材料就會(huì)留在MEMS芯片上(圖5(f)(g))。

對(duì)加工好的芯片進(jìn)行AFM檢測(cè)與拉曼光譜檢測(cè)。AFM檢測(cè)結(jié)果表明，MoS材料有兩種厚度，左側(cè)厚20 nm(圖6(a)(c))，而右側(cè)為70 nm(圖6(b)(d))。拉曼光譜結(jié)果如圖7所示，532 nm的光激發(fā)下材料展現(xiàn)出了383與407 cm兩個(gè)特征峰，這表明該機(jī)械獲取的MoS二維材料純度很高。最終MoS二維材料有效面積為16 μm×5 μm×70 nm，兩端分別由兩個(gè)金電極引出。

圖6 MoS2二維材料傳感器AFM顯微照片

圖7 MoS2二維材料傳感器拉曼光譜測(cè)試結(jié)果

3 傳感器性能測(cè)試

3.1 測(cè)試平臺(tái)

按照上述流程加工的基于MoS的皮拉尼氣壓傳感器測(cè)試器件如圖8所示。在測(cè)試中，將芯片焊接在PCB板上，利用面包板引線接入測(cè)試電路。首先測(cè)量4個(gè)電極之間的電阻值，兩兩電極之間阻值

R

=1.6×10Ω，

R

=1.9×10Ω，

R

=81×10Ω和

R

=3.5×10Ω，根據(jù)測(cè)量電路的規(guī)格，選用2、3接口進(jìn)行測(cè)試。

圖8 基于MoS2的皮拉尼真空規(guī)測(cè)試器件

使用Keithley 6514系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試電路接線如圖9所示。傳感器放置于真空腔中。測(cè)試過程中，先施加1 V電壓將傳感器預(yù)熱，之后啟動(dòng)真空泵將真空腔內(nèi)氣壓降到1.33 Pa以下，通過開閉真空腔放氣孔控制真空腔內(nèi)氣壓的升高與保持，獲取不同氣壓下傳感器穩(wěn)定狀態(tài)數(shù)據(jù)。

圖9 測(cè)試電路

3.2 測(cè)試結(jié)果及分析

不同氣壓下傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)如圖10所示，可以看出材料的電阻隨著時(shí)間逐漸降低直至穩(wěn)定，這是因?yàn)镸oS材料的溫度電阻系數(shù)為負(fù)。

圖10 不同氣壓下MoS2傳感器響應(yīng)數(shù)據(jù)

基于MoS的傳感器加熱時(shí)間較長(約20 s)，這是因?yàn)閭鞲衅鞯某叽?16 μm×5 μm)相對(duì)于基板尺寸(1 cm×1 cm)差距較大，超低的加熱功率(6×10W/V)也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。因此傳感器需要一定的時(shí)間來達(dá)到產(chǎn)熱-散熱平衡。下一步可以通過設(shè)計(jì)懸浮式器件來縮短加熱時(shí)間，提高響應(yīng)速度。

對(duì)不同氣壓下傳感器穩(wěn)定電阻分析(圖11)可知，本文設(shè)計(jì)的基于二維材料的皮拉尼氣壓傳感器有效測(cè)量范圍為10～10Pa，最高靈敏度50 Ω/Pa，與前文仿真結(jié)果相近。

圖11 MoS2傳感器穩(wěn)定電阻分析

4 結(jié)論

基于皮拉尼真空規(guī)原理設(shè)計(jì)了一種基于二維材料的MEMS真空氣壓傳感器，并進(jìn)行了加工與性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該傳感器最高靈敏度達(dá)到了50 Ω/Pa，功率僅6×10W(1V)，有效測(cè)量范圍10～10Pa，但尺寸僅有16 μm×5 μm×70 nm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于市面常見的MEMS真空氣壓傳感器。研究開發(fā)的這種傳感器具有靈敏度高、測(cè)量范圍廣、體積小、成本低、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可用于多種尺度真空空間的氣壓快速測(cè)量及監(jiān)測(cè)，具有廣泛的發(fā)展前景。