一種新型梁膜復(fù)合結(jié)構(gòu)MEMS壓阻式壓力傳感器設(shè)計(jì)

壓阻式壓力傳感器由于尺寸小、響應(yīng)快、集成度高、輸出信號(hào)易處理、可批量制作以及成本低等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于汽車電子、氣象監(jiān)測(cè)、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域。特別是隨著航空航天的發(fā)展，分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)作為未來(lái)飛機(jī)系統(tǒng)故障檢測(cè)和健康管理（PHM）的主要工具，對(duì)小量程表壓壓力傳感器的需求不斷增加。

對(duì)于小量程壓力傳感器，主要參數(shù)即靈敏度和非線性度，一般通過(guò)增大膜片面積和減小膜片厚度來(lái)提高傳感器的靈敏度，但這會(huì)導(dǎo)致傳感器非線性度增大。如何在保證非線性度的同時(shí)提高靈敏度是一個(gè)重要問(wèn)題。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，針對(duì)飛機(jī)供氧、液壓、環(huán)控和燃油等系統(tǒng)故障預(yù)測(cè)與健康管理對(duì)小量程壓力傳感器的重大需求，合肥工業(yè)大學(xué)許高斌教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種新型梁膜復(fù)合結(jié)構(gòu)MEMS壓阻式壓力傳感器。該傳感器在-2 ~ 12 KPa的量程內(nèi)，靈敏度可達(dá)21.801 mV/KPa，非線性度僅為0.02%，可用于航天航空等領(lǐng)域?qū)π×砍虊毫M(jìn)行精確測(cè)量。相關(guān)研究成果以“小量程高靈敏度壓阻式表壓壓力傳感器”為題發(fā)表在《真空科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)》期刊上。

在這項(xiàng)研究工作中，研究人員通過(guò)采用新型梁膜復(fù)合結(jié)構(gòu)創(chuàng)造應(yīng)力集中區(qū)域并降低膜片形變，在達(dá)到平衡傳感器非線性度的同時(shí)提高了器件的靈敏度。在敏感薄膜設(shè)計(jì)方面，采用了弧形膜和米字梁復(fù)合型結(jié)構(gòu)，并通過(guò)弧形硅杯支撐，可以同時(shí)提高器件靈敏度和降低非線性度。

仿真結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化不僅能夠集中應(yīng)力，同時(shí)也能增加膜片剛度。對(duì)各項(xiàng)尺寸進(jìn)行對(duì)比和優(yōu)化，通過(guò)ANSYS有限元分析仿真確定了合適的壓敏電阻位置，傳感器在-2 ~ 12 KPa量程內(nèi)的靈敏度為21.801 mV/KPa，非線性度為0.02%，過(guò)載為總量程10倍以上。

圖1 傳感器膜片結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 壓力與輸出電壓的關(guān)系

在制作工藝方面，該傳感器選用SOI晶圓作為襯底材料，可以方便地控制摻雜厚度。主要工藝流程包括熱氧化生長(zhǎng)二氧化硅薄膜、離子注入形成壓敏電阻、磁控濺射制備金屬互連、反應(yīng)離子刻蝕形成米字梁結(jié)構(gòu)、深反應(yīng)離子刻蝕制備背腔以及陽(yáng)極鍵合形成真空密封腔等工藝流程。

圖3 傳感器工藝流程圖

綜上所述，這項(xiàng)研究工作基于MEMS工藝，開發(fā)出一種新型梁膜復(fù)合結(jié)構(gòu)的壓阻式壓力傳感器。通過(guò)合理設(shè)計(jì)敏感薄膜結(jié)構(gòu)，優(yōu)化壓阻位置以及制作工藝，實(shí)現(xiàn)了器件高靈敏度和良好線性度的平衡。該傳感器有望滿足航天航空等領(lǐng)域?qū)π×砍虊毫_測(cè)量的需求。

論文信息：DOI: 10.13922/j.cnki.cjvst.202305016

審核編輯：劉清