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真空微电子传感器研究及进展

发布时间:2016-03-19 20:46

  1引言

  

  真空微电子学(VME)是研究利用现代微细加工技术在芯片上制造集成化的微型真空电子器件的一门新兴的前沿学科。1988年第一届国际真空微电子学会议之后,VME领域的研究十分活跃[“21。目前,真空微电子学已在小型微波毫米波管、平面高清晰度显示器件、传感器、特种光源、真空集成电路等多方面显现出很好的应用前景,引起各国科技界的关注。从广义上说,真空微电子器件属于集成微光机电系统(MEMS)的研究范畴,两者都是基于微细加工技术来研制微型器件,区别是前者的研究对象为真空电子器件,而后者的研究对象主要是传感器、执行器和微系统。

  

  近年来传感器发展呈现微型化、集成化、阵列化、系统化、智能化、多功能化的趋势,在传感器性能上追求高稳定性、高灵敏度、高分辨率、低功耗、耐高温等。真空微电子传感器以其特有的抗辐射、体积小、灵敏度高、温度稳定性好,以及制作工艺与集成电路(C)兼容,便于集成化批量生产等优点,成为新型传感器研究热占之一,真空微电子(VME)传感器研究始于1991年1341。

  

  目前已见报道的真空微电子传感器包括压力15~141、加速度115、磁116~201、图象传感器1211、红外传感器122、质谱仪1231等。以下将简要介绍几种真空微电子传感器,着重介绍真空微电子压力传感器和真空微电子磁传感器近年来的发展。

  

  2真空微电子传感器工作原理

  

  真空微电子传感器结构多种多样,但一般都包括场致发射阴极、阳极、阴极与阳极之间的绝缘层以及真空微腔四部分。工作原理一般是通过阴、阳极之间电流的变化来反映被检测量(如压力、加速度或磁场)的变化。

  

  真空微电子压力传感器的结构示意图如图1,其工作原理是:阳极相对于阴极施加正电压,在阴极表面形成加速电场。当敏感膜受压变形时,阴、阳极间距发生变化,阴极表面场强随之改变,从而导致阴极发射电流变化。通过测量传感器阴极发射电流的变化可测得压力大小。

  

  扫描电镜照片。对传感器的初步实验测试结果如图6有耐辐射、体积小、灵敏度高、温度稳定性好等固有特所示,其中压强测试范围为0~500kPa。实验表明,该传感器的最低工作电压仅为2V对应的传感器输出电流为微安量级。当工作电压增加,传感器输出电流增大,功耗随之增加,优点是输出信号易于检测,抗干扰能力增强,稳定性提高。

  

  与目前应用广泛的压阻式、电容式、压电式等传感器相比,真空微电子压力传感器具有温度稳定性好、体积小、制作工艺与IC兼容及便于批量生产等优点。在真空微电子磁传感器研究方面,我国西安交通大学曾经进行过尝试。日本JunjiItoh等人进行了多年不懈的研究|1

  

  4结论和展望

  

  真空微电子传感器研究是真空微电子(VME)技术与微光机电系统(MEMS)技术相结合的一项跨学科的、创新性的、国际前沿性研究工作,具有很好的应用和发展前景。真空微电子传感器的制作和封装技术难度较大,但经过多年研究已取得重大突破,制作和封装工艺已逐步解决。经过进一步实验研究,这类传感器可望在某些领域得到实际应用。由于真空微电子传感点,使得这种器件适合于航空、航天、智能机器人等高科技领域的应用。


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