諧振式微型壓力傳感器，可用于實(shí)現(xiàn)高精度的高壓測量

微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）壓力傳感器具有功耗低、體積小、成本低、對測量對象影響小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空航天、生物醫(yī)藥、工業(yè)控制和環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。在一些研究中，壓阻式或電容式MEMS壓力傳感器已被用于實(shí)現(xiàn)高壓測量。然而，由于嚴(yán)重的溫度干擾或較差的線性，這些壓阻式和電容式微型高壓傳感器都缺乏全量程精度。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院王軍波教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種隔膜彎曲和體積壓縮相結(jié)合的復(fù)合壓敏機(jī)制，用于諧振式微型壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了高精度的高壓測量。該微型傳感器采用微加工技術(shù)制造，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在0.1~100 MPa的壓力范圍和-10~50℃的溫度范圍內(nèi)，該傳感器的滿量程精度為±0.015%。相關(guān)研究成果以“A resonant high-pressure microsensor based on a composite pressure-sensitive mechanism of diaphragm bending and volume compression”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

如下圖所示，錨定在空腔底面的諧振器的應(yīng)力狀態(tài)可以通過復(fù)合機(jī)制反映外部壓力。包含諧振器的腔體可以構(gòu)建具有隔膜彎曲和體積壓縮的復(fù)合結(jié)構(gòu)。通過這種復(fù)合機(jī)制，研究人員開發(fā)了一種新型諧振式微型高壓傳感器，其小型化的空腔加強(qiáng)了隔膜結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)更大的范圍。此外，利用不同寬度的雙諧振器腔可以實(shí)現(xiàn)高精度。

諧振式微型高壓傳感器的總體設(shè)計(jì)

通過4英寸SOI晶圓（器件層為40 μm，氧化層為2 μm，襯底層為300 μm）和兩個(gè)4英寸硅晶圓（厚度分別為1 mm和2 mm）來實(shí)現(xiàn)材料選擇。為了避免引入其它的熱應(yīng)力，并實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的熱應(yīng)力隔離，隔離層材料是具有低摻雜水平和<100>取向的N型硅。主要的制造工藝包括深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）、諧振器釋放、物理氣相沉積（PVD）和晶圓級鍵合。

諧振式微型高壓傳感器的制造工藝

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所制造的諧振式微型高壓傳感器在0.1~100 MPa的壓力范圍和-10~50°C的溫度范圍內(nèi)具有±0.015%滿量程的精度。在20°C的溫度下，差分頻率的壓力靈敏度為261.10 Hz/MPa（~ 2523 ppm/MPa）；在2 MPa的壓力下，雙諧振器的溫度靈敏度為1.54 Hz/°C（~ 14.5 ppm/°C）和1.57 Hz/C（~?15.6 ppm/°C）。在恒溫恒壓條件下，差分輸出在0.02 Hz范圍內(nèi)具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

諧振式微型高壓傳感器實(shí)驗(yàn)平臺及測試結(jié)果

總而言之，研究人員通過將隔膜彎曲和體積壓縮相結(jié)合有效實(shí)現(xiàn)壓力/應(yīng)力轉(zhuǎn)換，驗(yàn)證了諧振式微型壓力傳感器的復(fù)合壓敏機(jī)制，并開發(fā)了一種具有雙諧振器的多腔全硅諧振式微型高壓傳感器。與兩種傳統(tǒng)的單一機(jī)制相比，復(fù)合壓敏機(jī)制可以在寬溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高測量范圍和高精度。通過兩種單一機(jī)制的自適應(yīng)和組合，可以很容易地實(shí)現(xiàn)具有正負(fù)壓力靈敏度的雙諧振器的匹配設(shè)計(jì)。差分輸出進(jìn)一步提高了靈敏度并實(shí)現(xiàn)了溫度自補(bǔ)償。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該微型傳感器在精度、品質(zhì)因數(shù)、靈敏度和穩(wěn)定性方面的高性能。然而，基于復(fù)合壓敏機(jī)制的微型傳感器的隔膜結(jié)構(gòu)薄弱，限制了壓力范圍的進(jìn)一步擴(kuò)大。未來的工作可能側(cè)重于在傳感器的應(yīng)力和老化方面進(jìn)一步優(yōu)化隔離組件，以提高每個(gè)諧振器的頻率穩(wěn)定性，并在高壓測量中得到實(shí)際應(yīng)用。

論文信息：
https://www.nature.com/articles/s41378-024-00667-8

審核編輯：劉清