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。
真空微电子加速度传感器的结构示意图如图2，其中给出三种结构，（a)梁式结构。（b)薄膜结构。()质量块结构。工作原理是，阴极或阳极在加速度发生变化时将受力而发生位移(力F=质量mX加速度a),导致阴、阳极间距改变，从而使阴极表面场强和阴极发射电流发生变化。
真空微电子磁传感器的工作原理如图3所示1161,是根据电子在磁场中受到洛仑兹力的作用而改变运动方向的原理来检测磁场强度的大小。在图3中，阳极沿电子枪的对称轴一分为二。当没有磁场存在时，电子束沿轴线落到阳极中央，两个阳极板上接收到的电流值相等;当存在磁场时，电子束受到洛仑兹力的作用而发生偏转，导致阳极接收到的电子束斑位置发生变化，即两个阳极板接收的电流值不相等，其中一个电流增加，另一个电流减小。根据两个阳极板电流的差值大小即可检测磁场强度。
在真空微电子传感器中，由于阴极与阳极（或栅极)的间距极小（只有几个微米),因而较低的阳极电压?I994-20iyChinaAcademicJournalElectronicruBnshi]就可在阴极表面产生很强的电场，引起阴极的场致电子发射，其发射电流密度对于阴极表面的场强变化非常敏感，而温度等因素的影响理论上可忽略不计。因此从原理上讲，真空微电子传感器具有灵敏度高、温度稳定性好等突出优点。但实际上，笔者通过对真空微电子压力传感器的实验发现，温度稳定性主要取决于传感器阴极材料的温度特性。若采用硅阴极，其材料的温度特性会对发射电流产生一定影响。在硅尖阴极表面沉积一层金属或金刚石薄膜有利于提高发射电流的温度稳定性。
对于真空微电子传感器而言，真空微腔内的残余气体主要产生两方面的不良影响：（1)影响阴极表面的洁净度，使得阴极表面电子逸出功提高，电子发射能力下降。（2)对于理想气体，由公式PV=RT可知，微腔内残余气体压强随温度变化而变化，因此高精度压力测量需进行适当的温度补偿，但一般情况下温度对于微腔内压强的影响极小，可以忽略不计。
3真空微电子传感器研究进展
关于真空微电子传感器研究已有不少文献13~241报道，其中包括传感器新结构的研究、计算机模拟设计、阴极制备、传感器制作及封装技术研究、特性测试等。
真空微电子压力传感器是提出最早、研究最多的一种真空微电子传感器。Ruey-ShingHuang(黄瑞星，现任台湾新竹清华大学教授)等人于90年代初提出了真空微电子压力传感器的设想，并进行了较深入的理论分析。随后美国Samoff公司的HeinzBusta博士对真空微电子压力传感器进行了初步实验研究。Hong和Aslam等人研究了金刚石场致发射压力传感器。德国TechnischeUniversityDarmstadt的Arslan博士研究了GaAs场致发射压力传感器。
我国在真空微电子压力传感器研究领域的研究力量较强，曾经和正在从事真空微电子压力传感器研究的单位主要有中国科学院电子学研究所本作者所在的研究小组、西安交通大学朱长纯小组、北京理工大学林鸿溢小组、重庆大学温志俞小组、四川固体电路研究所张正元小组、福州大学郭太良小组等。
中国科学院电子学研究所从1995年起开展真空微电子传感器研究，已对真空微电子压力传感器进行了多方面探索。于1997年和1998年提出了“台阶阴极”、“曲面阴极”191<)|以及“压力敏感膜一阴极复合”等新型真空微电子压力传感器结构，并对传感器阴极发射电流及压力敏感膜形变等特性进行了计算机模拟，基本解决了制作工艺技术，对封装技术进行了深入研究并取得突破，成功研制出真空微电子压力传感器初样器件，并进行了性能测试实验。图4和图5。
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<U71,近期已研制出器件初样，并报道了实验测试结果12(0,其磁场测试范围为0~10mT工作电压80V。目前，少量真空微电子传感器即将或已经投入实际应用，例如英国等人研制的质谱仪1231和瑞士LudovicDuvet研制的慧星压强传感器等。
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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