專利名稱:標準漏孔及其制作方法
技術領域:
本發明涉及一種標準漏孔及其制作方法,尤其是一種通導型標準漏孔及其制作方法。
背景技術:
標準漏孔是在規定條件下(入口壓力為100kPa±5%,溫度為23±7℃),漏率是已知的一種校準用的漏孔。標準漏孔是真空科學技術及其應用領域一種常用的必不可少的計量器具,特別是標準氦漏孔,它是目前已得到廣泛應用的氦質譜檢漏儀中必備的相對計量標準,使用標準漏孔定期對氦質譜檢漏儀的最主要參數一檢漏靈敏度進行校準,從而準確給出被測系統漏氣速率的數量級大小。
標準漏孔具有恒定漏率,它又叫定流量發生器,通常可分為兩大類,第一類為通導型標準漏孔,如鉑絲-玻璃非匹配標準漏孔、金屬壓扁型標準漏孔;第二類為滲透型標準漏孔,如石英薄膜標準漏孔。國家技術監督局專門為此制定了JJG793-92標準漏孔的國家計量鑒定規程。
參見劉秀林在文獻《航空計測技術》第21卷,2001年第5期43-45頁“標準漏孔及其校準”一文,其涉及到目前所使用的鉑絲-玻璃非匹配標準漏孔、金屬壓扁型標準漏孔、石英薄膜標準漏孔等幾種標準漏孔。
目前所使用的鉑絲-玻璃非匹配標準漏孔,漏率范圍一般為10-6~10-8托·升/秒,其是一種將直徑在0.1~0.15mm的鉑絲與11#硬質玻璃做非匹配封結后,利用兩種材料膨脹系數的不同而得到的漏孔。因此在制造過程中難以人為地控制標準漏孔的尺寸大小、數目,漏率大小受控性差,難以獲取具有預定漏率大小之標準漏孔;其漏率范圍較窄,難以實現更微小漏率的測量。
金屬壓扁型標準漏孔,漏率范圍一般為10-6~10-8托·升/秒,是一種將一定直徑的無氧銅管或可伐管用油壓機壓扁后產生漏隙,從而形成標準漏孔。但是,在制造過程中標準漏孔的孔徑尺寸大小難以精確控制,漏率大小可控性差,難以獲取具有預定漏率大小的標準漏孔;且其漏率范圍較窄,難以實現更微小漏率的測量。
石英薄膜標準漏孔,漏率范圍一般為10-7~10-11托·升/秒,是目前使用較多的一種標準漏孔,其是將石英玻璃管吹制成各種直徑和厚度的薄膜球泡,利用石英只能使氦氣滲透通過,而其它氣體通不過的特點制成的標準漏孔。由于薄膜球泡由吹制而成的,因此薄膜球泡的大小及其所包括的通孔數目難以控制,通孔的尺寸難以獲取,從而在制造過程中漏率大小可控性差,難以獲取具有預定漏率大小的標準漏孔;且其漏率范圍較窄,難以實現更微小漏率的測量。另外,石英薄膜標準漏孔只適用于氦氣,限制了其應用范圍。
如上所述,目前所使用的標準漏孔如鉑絲-玻璃非匹配標準漏、金屬壓扁型標準漏孔、石英薄膜標準漏孔等,由于其制造過程中漏率大小的可控性差,漏率必須借助其它設備對其漏率值進行標定之后才可獲知其漏率(可參見萬昭志、葉盛等人在文獻《真空電子技術》2002年第2期39-41頁中“標準漏孔校準中若干問題及其解決辦法”一文),因此難以獲取具有預定漏率大小的標準漏孔;且其漏率范圍較窄,難以實現更微小漏率的測量。
有鑒于此,有必要提供一種標準漏孔,其具有漏率大小可控性好、漏率范圍寬,可實現更微小漏率測量等優點。
發明內容下面將以若干實施例說明一標準漏孔及其制作方法,其具有漏率大小可控性好、漏率范圍寬,可實現更微小漏率測量的特點。
為實現上述內容,提供一標準漏孔,其包括一第一基底;及一形成在第一基底上的第二基底;至少一基底在與另一基底結合面上形成有預定數目及尺寸的溝槽結構,從而使之與另一基底結合后共同形成通孔,該通孔的孔壁是被測氣體不可滲透的。
所述溝槽結構的槽邊角度為該溝槽結構所在基底的一晶面角度。
所述通孔的孔徑尺寸達納米級。
所述第一基底及第二基底的材質包括硅<110>及硅<100>。
所述通孔孔壁的材質包括硅<110>、硅<100>、二氧化硅及金屬。
優選的,所述金屬包括銅、鎳、鉬。
所述溝槽結構包括三角溝槽及梯形溝槽。
所述標準漏孔的單一通孔漏率范圍為10-8~10-15托·升/秒。
以及,提供一標準漏孔的制作方法,其包括以下步驟在一第一基底上形成預定數目及尺寸的溝槽結構,該溝槽結構的槽邊角度為第一基底的一晶面角度;將上述第一基底與一第二基底結合在一起使在上述槽溝結構位置形成預定數目及尺寸的通孔,其中,該通孔的孔壁是被測氣體不可滲透的。
所述溝槽結構的形成包括以下步驟首先,采用機械刻劃法、或光刻技術結合濕法刻蝕、或電子束光刻技術結合濕法刻蝕形成預定數目及預定長度的細槽結構;然后采用濕法刻蝕技術加工上述細槽結構而形成預定數目及尺寸的溝槽結構。
所述溝槽結構是通過采用光刻技術或電子束光刻技術結合反應離子刻蝕技術(Reactive Ion Etching,簡稱RIE)而形成的。
可選的,將第一基底與第二基底結合之前先行在所述溝槽結構表面形成一被測氣體不可滲透的薄膜。
所述薄膜是通過蒸鍍、濺鍍、化學氣相沉積、基底氧化或電鍍形成的。
所述薄膜的材質包括二氧化硅及金屬。
所述金屬包括銅、鎳及鉬。
相對于現有技術,本技術方案所提供的標準漏孔包括一第一基底;及一形成在第一基底上的第二基底;至少一基底在與另一基底結合面上形成有預定數目及尺寸的溝槽結構,從而使之與另一基底結合后共同形成通孔,該通孔的孔壁是被測氣體不可滲透的。該溝槽結構的槽邊角度為其所在基底的一晶面角度,固定不變,且該通孔的孔徑尺寸達納米級。因此,該標準漏孔具有漏率大小可控性好、漏率范圍寬,可實現更微小漏率測量等優點。
圖1是本發明實施例提供一第一基底的示意圖。
圖2是在圖1所示第一基底上形成有細槽結構的示意圖。
圖3是將圖2所示第一基底上形成有細槽結構的基礎上再加工成溝槽結構的示意圖。
圖4是本發明實施例將一第二基底與具有溝槽結構的第一基底結合在一起的示意圖。
圖5是本發明實施例在第一基底上的溝槽結構表面形成一被測氣體不可滲透的薄膜的示意圖。
具體實施方式下面結合附圖將對本發明實施例作進一步的詳細說明。
參見圖4,本發明第一實施例所提供的標準漏孔10,其包括一第一基底1,該第一基底1上形成有預定數目及尺寸的溝槽結構13;及一形成在第一基底1上的第二基底3,該第二基底3與上述第一基底1結合在一起使在上述溝槽結構13位置形成預定數目(圖中僅示出一個)及尺寸通孔,該通孔的孔壁是被測氣體不可滲透的。上述溝槽結構13的長度方向的截面規則,可為三角形或梯形結構;溝槽結構13的槽邊角度β為第一基底1的一晶面角度,固定不變。本實施例所提供的標準漏孔可用于氦質譜檢漏儀的準確定標、微型真空泵抽速的測量、氣固界面科學研究中,提供微小流量的氣體等領域。
其中,第一基底1的材質可為硅。優選的,其為硅<100>或硅<110>;溝槽結構13槽壁的材質可選用硅<100>、硅<110>、二氧化硅及金屬(如銅、鎳、鉬等);第二基底3的材質可選用硅<100>、硅<110>、二氧化硅(或硅,并將硅表面氧化)及金屬(或硅,并在硅表面形成一金屬層);溝槽結構13槽壁及第二基底3具體為何種材質由被測氣體的種類決定。上述第二基底3與第一基底1結合在一起的具體方法包括當第一基底1及第二基底3的材質均為硅時,將第一基底1及第二基底3疊在一起,硅原子間會自動成鍵,在真空條件下施加一定的壓力(約幾十個大氣壓)使兩者形成較弱強度的預鍵合,然后在高溫下形成永久鍵合。當然,也可以采用高壓靜電代替機械壓力形成鍵合。也可以根據實際需要,在硅片上形成一層金屬等材料,加熱融合。
在實際應用中,對于不同的被測氣體,其對標準漏孔通孔孔壁的材質要求是不同的。如,當被測氣體為氦氣時,通孔孔壁的材質可選用銅、鎳、鉬等金屬,而不可選用二氧化硅,因為氦氣不可滲透銅、鎳、鉬等金屬而可滲透二氧化硅;此時,溝槽結構13槽壁的材質應選用銅、鎳、鉬等金屬;第二基底3的材質應選用銅、鎳、鉬等金屬,或選用硅,并在硅表面形成一銅、鎳、鉬等金屬層。當被測氣體為空氣、氧氣時,則通孔孔壁的材質可選用二氧化硅而不應選用金屬,因為金屬材質易與被測氣體發生氧化反應;此時,溝槽結構13槽壁的材質應選用二氧化硅;第二基底3的材質應選用二氧化硅,或選用硅,并將硅表面氧化。
本實施例所提供的標準漏孔10,其具有確定數目的溝槽結構13,且由于溝槽結構13的槽邊角度β為第一基底1的一晶面角度,固定不變,故溝槽結構13的尺寸確定,且其形狀規則,因此所獲得的標準漏孔的漏率值可以精確標定。對于單一通孔的標準漏孔,在一個標準大氣壓和室溫條件下,其漏率值可達10-8托·升/秒;當通孔的被測氣體輸入端的壓強約為1托時,其漏率值可達10-15托·升/秒。并且,由于通孔的尺寸一致性好,例如,有1000個通孔,則標準漏孔的漏率值相應的為單一通孔標準漏孔漏率值的1000倍,因此可方便的獲得準確的大漏率標準漏孔。
參見圖1~圖4,下面將說明上述實施例所提供的標準漏孔的制作方法,其包括以下步驟首先,在第一基底1上形成預定數目及尺寸的溝槽結構13。其具體步驟為第一步,在一潔凈的第一基底1上形成預定數目的細槽結構11,本實施例中第一基底1選用硅<100>或硅<110>,因為<100>及<110>兩種晶向有利于后續刻蝕工藝后具有規則形狀的溝槽結構13的形成;細槽結構11的寬度為數納米~數微米;優選的,細槽結構11的長度應大于溝槽結構13預定寬度的100倍,以確保計算(采用經典真空科學理論計算公式-Knusen公式,或用數值計算)最終所獲得的標準漏孔的漏率的結果誤差在1%以下。本實施例中,第一基底1的細槽結構11的形成可采用機械刻劃方法,也可采用光刻或電子束光刻結合濕法刻蝕的方法。
第二步,采用濕法刻蝕方法,選用對硅的不同晶面具有不同腐蝕速率的刻蝕液,如40%的NaOH(氫氧化鈉)水溶液,其在70℃時,對硅(111)面的腐蝕速率為0.0009μm/min(微米/分鐘),對硅(100)面的腐蝕速率為0.599μm/min。在第一步形成的細槽結構11的基礎上刻蝕出長度方向的截面形狀及尺寸確定的溝槽結構13,其長度方向的截面形狀優選為三角形或梯形;溝槽結構13的槽邊角度β為第一基底1的一晶面角度,該角度值具有固定不變的特性,因此,所形成的溝槽結構13的形狀規則,尺寸可控;且溝槽結構13的槽深及槽寬可通過刻蝕工藝的精確控制使其達到預定值。
當然,也可采用光刻或電子束光刻技術結合反應離子刻蝕技術等方法直接在第一基底1上刻出長度方向的截面確定的溝槽結構13,其長度方向的截面形狀優選為三角形或梯形;而無需先形成預定數目及尺寸的細槽結構11。
并且,可選的,為使最終所獲得的標準漏孔能滿足被測氣體的需要,還可根據被測氣體的種類在第一基底1的具有溝槽結構13′的表面形成一薄膜2(如圖5所示),薄膜2的形成方法可選用蒸鍍、濺鍍、化學氣相沉積、基底氧化或電鍍等方法。對于薄膜2的材質的選擇如下當被測氣體為氦氣時,薄膜2的材質可選用銅、鎳、鉬等金屬;當被測氣體為空氣、氧氣、氬氣時,薄膜2的材質可選用二氧化硅,其可通過將第一基底1的具有溝槽結構13的表面進行氧化而獲取。
然后,提供第二基底3,其具有被測氣體不可滲透的特性,將該第二基底3與第一基底1的具有溝槽結構13的表面結合在一起而形成預定數目及尺寸的通孔。其具體步驟為提供一潔凈的第二基底3,本實施例中選用一平面硅片,其具有至少一平滑的表面,該平滑表面是被測氣體不可滲透的;將該第二基底3的一平滑表面與第一基底1的具有溝槽結構13的表面疊放在一起,硅原子間就會自動成鍵,在真空條件下施加一定的壓力(約幾十個大氣壓)形成較弱強度的預鍵合,然后在高溫下形成永久鍵合;當然,也可以改用高壓靜電代替機械壓力形成鍵合;進而形成預定數目及尺寸的通孔。其中,該通孔即為上述溝槽結構13與第二基底3的一平滑表面所形成的密閉溝道;因為溝槽結構13的槽壁及與第一基底1結合在一起的第二基底的一表面均是平滑的,因此所形成的通孔內表面也是平滑的,故所形成的標準漏孔10的漏率值精確。之后,將結合后的結構進行后續封裝,即可形成一標準漏孔10。
對于第二基底3,為使最終所獲得的標準漏孔能滿足被測氣體的需要,還可根據被測氣體的種類選擇合適的材質。如,當被測氣體為氦氣時,第二基底3應選用銅、鎳、鉬等金屬材質,或選用硅片,并且在硅片上通過蒸鍍、濺鍍、化學氣相沉積、基底氧化或電鍍等方法形成一銅、鎳、鉬等金屬膜;此時,第一基底與第二基底可采用加熱融合方式結合在一起;當被測氣體為空氣、氧氣、氬氣時,第二基底3應選用二氧化硅等材質,或選用硅片,并將其至少一表面氧化。
當然,也可對第二基底3進行與第一基底1同樣的操作。第二基底3的材質選用硅<110>或硅<100>,將第二基底3的與第一基底1結合在一起的表面,在其被結合之前也形成預定數目及尺寸的溝槽結構;在第一基底及第二基底結合時,需將第一基底及第二基底上的溝槽結構相互對準。當然,為使最終所獲得的標準漏孔能滿足被測氣體的要求,也應適當的在其溝槽結構表面形成一被測氣體不可滲透的薄膜。
另外,本領域技術人員還可在本發明精神內做其它變化,如通孔的孔壁采用其它材質等設計。當然,這些依據本發明精神所做的變化,都應包含在本發明所要求保護的范圍之內。
權利要求
1.一種標準漏孔,其包括一第一基底;及一形成在第一基底上的第二基底;其特征在于至少一基底在與另一基底結合面上形成有預定數目及尺寸的溝槽結構,從而使之與另一基底結合后共同形成通孔,該通孔的孔壁是被測氣體不可滲透的。
2.如權利要求1所述的標準漏孔,其特征在于所述溝槽結構的槽邊角度為該溝槽結構所在基底的一晶面角度。
3.如權利要求1所述的標準漏孔,其特征在于所述通孔的孔徑尺寸為納米級。
4.如權利要求1所述的標準漏孔,其特征在于所述第一基底及第二基底的材質包括硅<110>及硅<100>。
5.如權利要求1所述的標準漏孔,其特征在于所述通孔孔壁的材質包括硅<110>、硅<100>、二氧化硅及金屬。
6.如權利要求5所述的標準漏孔,其特征在于所述金屬包括銅、鎳、鉬。
7.如權利要求1所述的標準漏孔,其特征在于所述溝槽結構包括三角溝槽及梯形溝槽。
8.如權利要求1所述的標準漏孔,其特征在于所述標準漏孔的單一通孔漏率范圍為10-8~10-15托·升/秒。
9.一種標準漏孔的制作方法,其包括以下步驟在一第一基底上形成預定數目及尺寸的溝槽結構;將上述第一基底與一第二基底結合在一起使在上述槽溝結構位置形成預定數目及尺寸的通孔;其中,該通孔的孔壁是被測氣體不可滲透的。
10.如權利要求9所述的標準漏孔的制作方法,其特征在于所述溝槽結構的形成包括以下步驟首先,采用機械刻劃法、或光刻技術結合濕法刻蝕、或電子束光刻技術結合濕法刻蝕形成預定數目及預定長度的細槽結構;然后,采用濕法刻蝕技術加工上述細槽結構而形成預定數目及尺寸的溝槽結構。
11.如權利要求9所述的標準漏孔的制作方法,其特征在于所述溝槽結構是通過采用光刻技術或電子束光刻技術結合反應離子刻蝕技術而形成的。
12.如權利要求9所述的標準漏孔的制作方法,其特征在于將第一基底與第二基底結合之前先行在所述溝槽結構表面形成一被測氣體不可滲透的薄膜。
13.如權利要求12所述的標準漏孔的制作方法,其特征在于所述薄膜的材質包括二氧化硅及金屬。
14.如權利要求13所述的標準漏孔的制作方法,其特征在于所述金屬包括銅、鎳及鉬。
15.如權利要求12所述的標準漏孔的制作方法,其特征在于所述薄膜是通過蒸鍍、濺鍍、化學氣相沉積、基底氧化或電鍍方法形成的。
全文摘要
本發明涉及一種標準漏孔及其制作方法。本發明所提供的標準漏孔,其包括一第一基底;及一形成在第一基底上的第二基底;至少一基底在與另一基底結合面上形成有預定數目及尺寸的溝槽結構,從而使之與另一基底結合后共同形成通孔,該通孔的孔壁是被測氣體不可滲透的。該溝槽結構的槽邊角度為其所在基底的一晶面角度,固定不變,且該通孔的孔徑尺寸達納米級。因此,該標準漏孔具有漏率大小可控性好、漏率范圍寬,可實現更微小漏率測量等優點。本發明還提供上述標準漏孔的制作方法。
文檔編號G01N35/00GK1828251SQ200510033489
公開日2006年9月6日 申請日期2005年3月3日 優先權日2005年3月3日
發明者劉亮, 葛帥平, 胡昭復, 杜秉初, 郭彩林, 陳丕瑾, 范守善 申請人:清華大學, 鴻富錦精密工業(深圳)有限公司