MEMS壓力傳感器是傳感器行業中市場規模最大的細分市場之一，具有體積小、功耗低、價格便宜等優點。隨著時代的發展及人們對健康的重視度提高，血壓儀開始走進用戶家庭，并在健康保健方面發揮著重要的作用。其中的核心器件——MEMS壓力傳感器，其市場應用規模極大。但在MEMS壓力傳感器實際設計及制造過程中，能夠同時滿足最優狀態的設計結構和工藝較難達到。因此，研究如何設計及制造高靈敏度和線性度的MEMS壓力傳感器具有重要意義。

據麥姆斯咨詢報道，針對MEMS壓力傳感器靈敏度及線性度較難兼顧的問題，無錫中微晶園電子有限公司設計了一種可應用于電子血壓計、量程為40 kPa的MEMS壓力傳感器，該傳感器在常溫下的靈敏度達到0.445 mV/V/kPa，非線性度達到± 0.0736% FS。相關研究成果以論文形式發表于《傳感器與微系統》期刊。

考慮到壓敏薄膜厚度、壓敏薄膜邊長、壓敏電阻大小及位置等參數會直接影響傳感器靈敏度與線性度，該研究基于硅壓阻式MEMS壓力傳感器的工作原理，使用COMSOL Mutilphysics軟件對傳感器結構進行仿真設計，并根據理論計算各結構的最佳尺寸范圍。

壓阻式壓力傳感器的壓敏膜層如過厚容易導致器件靈敏度低;如過薄則非線性度增加，且壓敏電阻的制作與工藝控制較難，因此該研究首先對傳感器壓敏膜尺寸進行了研究。在0~100 kPa壓力范圍內，不同壓敏膜上應力情況如圖1所示。當壓敏膜厚度小于等于10 μm時，其應力隨壓力呈非線性變化，意味著電阻也將呈非線性變化，導致輸出非線性。而當壓敏膜厚度大于10 μm時，其應力隨壓力呈線性變化。同時，隨著壓敏膜厚度增加，相同壓力下應力不斷減小，產生的響應也將隨之減小。因此，在背槽刻蝕過程中，需要控制壓敏膜厚度大于10 μm。此外，為了提高壓力傳感器的靈敏度，壓敏膜尺寸越大、厚度越薄越好。但越大越薄的壓敏膜在制作時，其背部濕法腐蝕的開口也越大，底部支撐傳感器的面積就越小，膜片也容易變形損壞，導致壓力傳感器失效。最終，綜合靈敏度、加工良率及可靠性，將壓敏傳感膜的厚度設定為15 μm。

圖1 壓敏傳感膜上應力與受壓壓力及膜厚的關系

壓敏電阻值決定了壓力傳感器的工作電流和功耗，在供電電壓一定的情況下，壓力傳感器的功耗與壓敏電阻值呈反比。在該研究中，將壓敏電阻的阻值設定為5 kΩ，電阻形狀設為1折。此外，為了提高壓力傳感器的靈敏度，降低非線性指標，研究人員通過COMSOL軟件仿真尋找膜片內應力最大的位置。圖2為使用COMSOL軟件對壓敏膜層上應力進行仿真的結果。從圖中可以看到，壓敏膜片上應力主要集中在膜片四周邊緣中間的位置，且壓敏膜片邊緣的中點500~550 μm處應力達到最大，兩端應力迅速減小。

圖2 應力分布仿真

最終，根據各結構的仿真結果，研究人員將傳感器芯片主要參數確定為：材料片厚度為400 μm;芯片尺寸為2000 μm × 2000 μm;彈性膜長度為1000 μm;彈性膜厚度為15 μm;電阻長度為130 μm;電阻寬度為10 μm;阻值為5 kΩ;量程為40 kPa。傳感器芯片的最終設計版圖如圖3所示。

圖3 壓力傳感器芯片設計版圖

隨后，研究人員利用公司自有標準CMOS-MEMS工藝產線對注入劑量、退火條件、氮化硅介質層應力進行工藝拉偏和整合，最終完成傳感器芯片的制造及封裝測試。整合的工藝流程圖如圖4所示。

圖4 芯片工藝流程示意

封裝后測試評估的結果表明，該MEMS壓力傳感器滿量程輸出達到89 mV，靈敏度性能達到0.445 mV/V/kPa，遲滯為0.038% FS，非線性度達到± 0.0736% FS，其總體性能達到了預期目標。該研究結果對于MEMS壓阻式壓力傳感器的設計研發具有一定的參考價值。

審核編輯：湯梓紅