本发明涉及机械设计和真空计量的技术领域，特别是一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规。
背景技术：
基于微机电系统(mems)技术的电容薄膜真空规(cdg)具有小型化、低功耗及低成本的特点，同时也具备传统电容薄膜规精度高、线性度好、重复性好、长期稳定性好的特点。mems-cdg能够满足航空航天、生物医学等对测量仪器具有小型化需求的领域，近年来得到了迅速的发展，并在逐渐取代传统的机械式电容薄膜真空规。然而，现有mems-cdg测量范围较窄，且灵敏度低，对测量电路具有很高的要求，这也导致mems-cdg不能很好的满足各种场合的应用需求。因此具有宽量程、高灵敏度的mems-cdg具有广泛的应用前景，但是目前没有类似产品。
有鉴于此，本发明人专门设计了一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，本案由此产生。
技术实现要素：
为了解决上述问题，本发明提供了一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，能够实现1～80000pa范围相对真空度的测量，具有分段线性的特征，测量分辨率优于5pa，最高灵敏度为16.5ff/pa；其具体技术方案如下：
一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，适用于差压真空测量，具有宽量程和高灵敏度的特点，其包括玻璃基底层、电极层、含硅基底层、保护层以及密封层，所述密封层、含硅基底层以及玻璃基底层从上到下依次设置；
所述玻璃基底层与含硅基底层之间设置参考端腔体，所述密封层与含硅基底层之间设置测量端腔体，所述参考端腔体与测量端腔体之间设置感应薄膜，所述密封层上设置与测量端腔体连通的通气孔，所述保护层设置于测量端腔体内，且所述保护层上且位于感应薄膜的一端面设置凹槽，所述含硅基底层上设置与参考端腔体连通的电极引出孔，且还设置电极引出槽；
所述电极层包括设置于玻璃基底层上且位于参考端腔体内的固定电极以及与固定电极连接且位于第一引出槽内的电极引出焊盘；
其中，所述感压薄膜、固定电极以及薄膜下圆柱形槽组成敏感电容，电容信号通过第二引出槽与电极引出焊盘引出，所述参考端腔体通过电极引出孔与真空参考端连通，所述测量端腔体通过通气孔与真空测量端连通。
进一步的，所述含硅基底层上且位于玻璃基底层的一端面设置薄膜下圆柱形槽，且另一端设置与薄膜下圆柱形槽对应的薄膜上方形槽；
所述薄膜下圆柱形槽与薄膜上方形槽之间设置所述感应薄膜，所述薄膜下圆柱形槽、感应薄膜以及玻璃基底层形成所述参考端腔体，所述薄膜上方形槽、感应薄膜以及密封层形成所述测量端腔体。
进一步的，所述含硅基底层上且位于玻璃基底层的一端面设置用于连通电极引出孔与薄膜下圆柱形槽连通的电极连接槽，所述固定电极与电极引出焊盘之间设置电极连接片，所述电极连接片设置于玻璃基底层上且位于连接槽内。
进一步的，所述固定电极、电极连接片以及电极引出焊盘为一体式结构。
进一步的，所述电极层采用磁控溅射方式溅射在玻璃基底上，其包括三层结构，从下至上依次为铬层、铝层及氧化铝层，所述铬层、铝层及氧化铝层的厚度分别为30nm、300nm及10nm。
进一步的，所述薄膜上方形槽、电极引出槽及电极引出孔采用各向异性腐蚀和自停止的工艺制作而成。
进一步的，所述含硅基底层采用soi片制作，soi片薄硅层一侧采用干法蚀制作薄膜下圆柱形槽，soi片厚硅层一侧采用湿法刻蚀制作薄膜上方形槽、电极引出槽以及电极引出孔。
进一步的，所述薄膜下圆柱形槽直径为3000μm，深度为4.7μm，所述薄膜上方形槽边长为4000μm，深等于厚硅层厚度，电极引出槽边长为1000μm，深等于厚硅层厚度，电极引出孔边长为1000μm，孔深等于厚硅层厚度。
进一步的，所述感压薄膜为圆形薄膜，且作为真空规中敏感电容的可动电极，感压薄膜直径与薄膜下圆柱形槽直径相等，感压薄膜厚度与薄膜下圆柱形槽深度之和为soi片薄硅层厚度。
进一步的，所述感压薄膜具有大宽厚比的特点，具体的，其直径与厚度的比值等于600。
进一步的，所述感压薄膜的薄膜直径为3000μm，厚度5μm。
进一步的，所述感压薄膜材料为基于浓硼掺杂的单晶硅。
进一步的，所述玻璃基底采用bf33玻璃制成。
进一步的，所述保护层边长略小于薄膜上方形槽的边长，厚度略小于薄膜上方形槽深度，所述凹槽为方形槽，其边长大于感压薄膜直径，深度小于10μm。
进一步的，所述保护层采用单晶硅制作。
进一步的，所述保护层上的凹槽采用干法刻蚀制作。
进一步的，所述电极引出槽与固定电极引出孔位于感压薄膜中心轴的两侧；所述密封层与含硅基底层接触的部分截面为正方形，边长等于电极引出槽边至电极引出孔边的距离，所述通气孔为圆柱形。
进一步的，所述密封层为一体结构，通过3d打印制作。
本发明的宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规能够实现1～80000pa范围相对真空度的测量，测量准确度高、线性好、输出的重复性和长期稳定性好，同时具有体积小、重量轻、功耗低、制作工艺与集成电路(ic)兼容，便于集成化批量生产等优点，可以应用于深空探测、风洞实验以及生物医学等对真空测量仪器有小型化要求的领域中。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
其中：
图1是本发明真空规的结构示意图；
图2是本发明真空规的剖视图；
图3是本发明真空规的爆炸图；
图4是本发明含硅基底层的结构示意图；
图5是本发明保护层的结构示意图；
图6是本发明真空规性能测试的数据图。
标号说明：
10、玻璃基底层；20、电极层；21、固定电极；22、电极连接片；23、电极引出焊盘；30、含硅基底层；31、感应薄膜；32、薄膜下圆柱形槽；33、薄膜上方形槽；34、电极引出孔；35、电极引出槽；36、电极连接槽；40、保护层；41、凹槽；50、密封层；51、通气孔；60、参考端腔体；70、测量端腔体。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚、明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1至5，是作为本发明的最佳实施例的一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，适用于差压真空测量，具有宽量程和高灵敏度的特点，其包括玻璃基底层10、电极层20、含硅基底层30、保护层40以及密封层50，密封层50、含硅基底层30以及玻璃基底层10从上到下依次设置，具体的，玻璃基底采用bf33玻璃制成；含硅基底层30与玻璃基底层10通过硅-玻璃阳极键合技术键合在一起，密封层50通过环氧树脂胶与含硅基底层30粘接在一起。
玻璃基底层10与含硅基底层30之间设置参考端腔体60，密封层50与含硅基底层30之间设置测量端腔体70，参考端腔体60与测量端腔体70之间设置感应薄膜31，密封层50上设置与测量端腔体70连通的通气孔51，保护层40设置于测量端腔体70内，且保护层40上且位于感应薄膜31的一端面设置凹槽41，含硅基底层30上设置与参考端腔体60连通的电极引出孔34，且还设置电极引出槽35。具体的，含硅基底层30上且位于玻璃基底层10的一端面设置薄膜下圆柱形槽32，且另一端设置与薄膜下圆柱形槽32对应的薄膜上方形槽33，即薄膜下圆柱形槽32与薄膜上方形槽33之间设置感应薄膜31，薄膜下圆柱形槽32、感应薄膜31以及玻璃基底层10形成参考端腔体60，薄膜上方形槽33、感应薄膜31以及密封层50形成测量端腔体70。
电极层20包括设置于玻璃基底层10上且位于参考端腔体60内的固定电极21以及与固定电极21连接且位于第一引出槽内的电极引出焊盘23；含硅基底层30上且位于玻璃基底层10的一端面设置用于连通电极引出孔34与薄膜下圆柱形槽32连通的电极连接槽36，固定电极21与电极引出焊盘23之间设置电极连接片22，电极连接片22设置于玻璃基底层10上且位于连接槽内。电极层20的固定电极21、电极连接片22以及电极引出焊盘23为一体式结构，其具体的包括三层结构，从下至上依次为铬层、铝层及氧化铝层，铬层、铝层及氧化铝层的厚度分别为30nm、300nm及10nm。制作时，铬和铝采用磁控溅射的方式依次溅射于玻璃基底层10上，再对铝表面进行氧化处理得到氧化铝，铝为导电材料，与感压薄膜组成敏感电容，而氧化铝为绝缘材料，防止感压薄膜与铝电极接触形成短路。
本发明的感压薄膜、固定电极21以及薄膜下圆柱形槽32组成敏感电容，电容信号通过第二引出槽与电极引出焊盘23引出，参考端腔体60通过电极引出孔34与真空参考端连通，测量端腔体70通过通气孔51与真空测量端连通。
含硅基底层30采用soi片制作，soi片薄硅层一侧采用干法蚀制作薄膜下圆柱形槽32，soi片厚硅层一侧采用湿法刻蚀制作薄膜上方形槽33、电极引出槽35以及电极引出孔34，具体的薄膜上方形槽33、电极引出槽35及电极引出孔34采用各向异性腐蚀和自停止的工艺制作而成；其中薄膜下圆柱形槽32直径为3000μm，深度为4.7μm，薄膜上方形槽33边长为4000μm，深等于厚硅层厚度，电极引出槽35边长为1000μm，深等于厚硅层厚度，电极引出孔34边长为1000μm，孔深等于厚硅层厚度。含硅基底层30采用soi片，在进行腐蚀工艺的时候具有自停止的特定点，得到的硅结构尺寸比普通硅片更精确，结构表面粗糙度也更优。感压薄膜在soi片薄硅层一侧制作，薄硅层材料为浓硼掺杂的单晶硅，具有良好的导电性，本身为导体，因此不用镀制电极膜层，此外由于腐蚀自停止工艺薄膜表面光滑，减小了薄膜表面的应力集中现象，使薄膜拥有更优的机械性能。
感压薄膜为圆形薄膜，且作为真空规中敏感电容的可动电极，感压薄膜直径与薄膜下圆柱形槽32直径相等，感压薄膜厚度与薄膜下圆柱形槽32深度之和为soi片薄硅层厚度。即感压薄膜作为可动电极，与固定电极21以及薄膜下圆柱形槽32组成真空规的敏感电容，敏感电容的有效极板面积为固定电极21的面积，有效间隙为薄膜下圆柱形槽32的深度与固定电极21中的绝缘层的厚度之和，敏感电容的可动电极信号即感压薄膜的信号通过电极引出槽35引出，固定电极21的信号通过电极引出焊盘23引出，含硅基底层30与玻璃基底层10之间形成的腔体为参考端腔体60，通过电极引出槽35与真空参考端连通，保护层40放置于感压薄膜上方形槽33中，具有凹槽41的一端面朝向感压薄膜，密封层50与含硅基底层30之间形成的腔体为测量端腔体70，通过通气孔51与真空测量端连通。感压薄膜材料为基于浓硼掺杂的单晶硅，且感压薄膜具有大宽厚比的特点，具体的，其直径与厚度的比值大于400；优选的，感压薄膜的薄膜直径为3000μm，厚度5μm。宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规工作时，测量端真空度大于参考端真空度，则感压薄膜会受到外界压力作用而产生挠度变形，进而引起敏感电容发生变化，通过测量电容的变化就可以得到测量端与参考端的真空度之差，圆形结构的薄膜在受压力作用时，边缘的集中应力小于其他形状的薄膜，因此能够承受更大的压力；大宽厚比的薄膜在受到压力作用时，挠度变形大于普通薄膜，真空规中的敏感电容变化也更明显，因此真空规具有更优的灵敏度。
保护层40采用单晶硅制作，且凹槽41采用干法刻蚀制作；保护层40边长略小于薄膜上方形槽33的边长，厚度略小于薄膜上方形槽33深度，凹槽41为方形槽，其边长大于感压薄膜直径，深度小于10μm。
电极引出槽35与固定电极21引出孔位于感压薄膜中心轴的两侧；密封层50为一体结构，通过3d打印制作，减少了制作工序；密封层50与含硅基底层30接触的部分截面为正方形，边长等于电极引出槽35边至电极引出孔34边的距离，通气孔51为圆柱形。
本发明的感压薄膜与固定电极21之间的间隙小于感压薄膜在测量范围的最大挠度，本实例中感压薄膜与固定电极21的间隙为4μm。通过控制感压薄膜与固定电极21间的间隙，使感压薄膜在受到压力作用未达到极限挠度变形时就接触到固定电极21，一方面保护了感压薄膜受到破坏，增大真空规的量程；另一方面，真空度与电容的输出关系曲线出呈现出分段线性，提升了真空规的测量性能。
本发明的具体安装方式为：首先通过硅-玻璃阳极键合技术将含硅基底层30与玻璃基底层10键合在一起，其次将保护层40设置于薄膜上方形槽33内后利用环氧树脂胶将密封层50和含硅基底层30粘在一起。且本实施例通过以下参数制得真空规，其中感压薄膜12的薄膜直径为3000μm，厚度5μm，固定电极2121直径为2850μm，感压薄膜12与固定电极2121的间隙为4.3μm。
本实例通过搭建真空系统对完成封装的mems电容薄膜真空规进行性能测试，真空规测量端与低真空系统连通，真空规参考端与高真空系统给连通。其中，低真空系统包括抽气泵、进气针阀和传统的电容薄膜真空计，抽气泵组可以使系统的真空度到达10-1pa，进气针阀能控制系统中的真空度以一定的速率变化，而传统的电容薄膜真空计组则用来测量真空度的变化，该真空计组经过校准，具有良好的测量精度。高真空系统包括抽气泵组和冷阴极电离规，该抽气泵组可以使系统的真空度维持在10-4pa量级。高、低真空系统分别与真空规的高、低真空端密封连通。精密lcr测量仪用来测量mems电容薄膜真空规中的电容变化。在测试时，首先打开高、低真空系统的抽气泵组，当达到各自要求的真空度时，高真空端维持抽气，低真空度停止抽气并打开针阀对真空系统进气，即可得到1-80000pa范围内，mems电容薄膜真空规中的电容变化，如图6所示，通过图4可知，在真空度每变化5pa，电容变化为82.5ff，因此本发明真空规的分辨率达到5pa，灵敏度最高可达16.5ff/pa。
综上所述，本发明的宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规能够实现1～80000pa范围相对真空度的测量，测量准确度高、线性好、输出的重复性和长期稳定性好，同时具有体积小、重量轻、功耗低、制作工艺与集成电路(ic)兼容，便于集成化批量生产等优点，可以应用于深空探测、风洞实验以及生物医学等对真空测量仪器有小型化要求的领域中；具体的，本发明的有益效果如下：
第一，本发明的结构层采用soi片，具有腐蚀自停止的特点，可以保证真空规结构尺寸精确，表面光滑，减小了残余应力对敏感元件的影响；
第二，感压薄膜为圆形薄膜，薄膜固定边界的集中应力相对方形薄膜更小，具有更大的抗破坏能力；
第三，感压薄膜具有大宽厚比的特点，即感压薄膜直径与其厚度之比高达600，这个特点使得感压薄膜具有很高的灵敏度；
第四，感压薄膜与固定电极之间的薄膜下圆柱形槽的深度小于感压薄膜在测量范围的最大挠度，使得真空规工作在接触式模式，可以防止感压薄膜在高压力作用下受到破坏，提高真空规的测量范围；还可以使真空规的测量曲线，即真空度-电容曲线具有分段线性的特点，解决了感压薄膜大挠度变形非线性的问题，提升了真空规的测量性能；
第五，固定电极采用铬、铝、氧化铝三层结构，即保证了电极的可靠性，又防止了感压薄膜直接接触电极中的铝层形成短路。
第六，固定电极尺寸略小于感压薄膜尺寸，有效电容为固定电极与感压薄膜正对面积组成的平行板电容器，可以避免感压薄膜边缘挠度变化不均匀导致的电容变化不规律问题；
第七，带凹槽的保护层可以防止在测量环境下感压薄膜反向变形造成得损坏；
第八，密封层采用3d打印一体制作，减少了制作工序。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。
1.一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，其特征在于，包括玻璃基底层、电极层、含硅基底层、保护层以及密封层，所述密封层、含硅基底层以及玻璃基底层从上到下依次设置；
所述玻璃基底层与含硅基底层之间设置参考端腔体，所述密封层与含硅基底层之间设置测量端腔体，所述参考端腔体与测量端腔体之间设置感应薄膜，所述密封层上设置与测量端腔体连通的通气孔，所述保护层设置于测量端腔体内，且所述保护层上且位于感应薄膜的一端面设置凹槽，所述含硅基底层上设置与参考端腔体连通的电极引出孔，且还设置电极引出槽；
所述电极层包括设置于玻璃基底层上且位于参考端腔体内的固定电极以及与固定电极连接且位于第一引出槽内的电极引出焊盘；
其中，所述感压薄膜、固定电极以及薄膜下圆柱形槽组成敏感电容，电容信号通过第二引出槽与电极引出焊盘引出，所述参考端腔体通过电极引出孔与真空参考端连通，所述测量端腔体通过通气孔与真空测量端连通。
2.根据权利要求1所述的一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述含硅基底层上且位于玻璃基底层的一端面设置薄膜下圆柱形槽，且另一端设置与薄膜下圆柱形槽对应的薄膜上方形槽；
所述薄膜下圆柱形槽与薄膜上方形槽之间设置所述感应薄膜，所述薄膜下圆柱形槽、感应薄膜以及玻璃基底层形成所述参考端腔体，所述薄膜上方形槽、感应薄膜以及密封层形成所述测量端腔体。
3.根据权利要求2所述的一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述含硅基底层上且位于玻璃基底层的一端面设置用于连通电极引出孔与薄膜下圆柱形槽连通的电极连接槽，所述固定电极与电极引出焊盘之间设置电极连接片，所述电极连接片设置于玻璃基底层上且位于连接槽内。
4.根据权利要求3所述的一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述固定电极、电极连接片以及电极引出焊盘为一体式结构。
5.根据权利要求1或3所述的一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述电极层采用磁控溅射方式溅射在玻璃基底上，其包括三层结构，从下至上依次为铬层、铝层及氧化铝层，所述铬层、铝层及氧化铝层的厚度分别为30nm、300nm及10nm。
6.根据权利要求1所述的一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述含硅基底层采用soi片制作，soi片薄硅层一侧采用干法蚀制作薄膜下圆柱形槽，soi片厚硅层一侧采用湿法刻蚀制作薄膜上方形槽、电极引出槽以及电极引出孔。
7.根据权利要求6所述的一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述薄膜下圆柱形槽直径为3000μm，深度为4.7μm，所述薄膜上方形槽边长为4000μm，深等于厚硅层厚度，电极引出槽边长为1000μm，深等于厚硅层厚度，电极引出孔边长为1000μm，孔深等于厚硅层厚度。
8.根据权利要求7所述的一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述感压薄膜为圆形薄膜，且作为真空规中敏感电容的可动电极，感压薄膜直径与薄膜下圆柱形槽直径相等，感压薄膜厚度与薄膜下圆柱形槽深度之和为soi片薄硅层厚度。
9.根据权利要求1所述的一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述保护层边长略小于薄膜上方形槽的边长，厚度略小于薄膜上方形槽深度，所述凹槽为方形槽，其边长大于感压薄膜直径，深度小于10μm。
10.根据权利要求1所述的一种宽量程高灵敏度mems电容薄膜真空规，其特征在于，所述电极引出槽与固定电极引出孔位于感压薄膜中心轴的两侧；所述密封层与含硅基底层接触的部分截面为正方形，边长等于电极引出槽边至电极引出孔边的距离，所述通气孔为圆柱形。
技术总结