微機電系統（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點，廣泛應用于航空航天、生物醫藥、工業控制和環境監測等領域。在一些研究中，壓阻式或電容式MEMS壓力傳感器已被用于實現高壓測量。然而，由于嚴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。

據麥姆斯咨詢報道，近日，中國科學院空天信息創新研究院王軍波教授團隊開發了一種隔膜彎曲和體積壓縮相結合的復合壓敏機制，用于諧振式微型壓力傳感器，實現了高精度的高壓測量。該微型傳感器采用微加工技術制造，實驗結果表明，在0.1~100 MPa的壓力范圍和-10~50℃的溫度范圍內，該傳感器的滿量程精度為±0.015%。相關研究成果以“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力狀態可以通過復合機制反映外部壓力。包含諧振器的腔體可以構建具有隔膜彎曲和體積壓縮的復合結構。通過這種復合機制，研究人員開發了一種新型諧振式微型高壓傳感器，其小型化的空腔加強了隔膜結構，以實現更大的范圍。此外，利用不同寬度的雙諧振器腔可以實現高精度。

諧振式微型高壓傳感器的總體設計

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4英寸硅晶圓（厚度分別為1 mm和2 mm）來實現材料選擇。為了避免引入其它的熱應力，并實現穩定的熱應力隔離，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

實驗結果表明，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范圍內具有優異的穩定性。

諧振式微型高壓傳感器實驗平臺及測試結果

總而言之，研究人員通過將隔膜彎曲和體積壓縮相結合有效實現壓力/應力轉換，驗證了諧振式微型壓力傳感器的復合壓敏機制，并開發了一種具有雙諧振器的多腔全硅諧振式微型高壓傳感器。與兩種傳統的單一機制相比，復合壓敏機制可以在寬溫度范圍內實現高測量范圍和高精度。通過兩種單一機制的自適應和組合，可以很容易地實現具有正負壓力靈敏度的雙諧振器的匹配設計。差分輸出進一步提高了靈敏度并實現了溫度自補償。實驗結果驗證了該微型傳感器在精度、品質因數、靈敏度和穩定性方面的高性能。然而，基于復合壓敏機制的微型傳感器的隔膜結構薄弱，限制了壓力范圍的進一步擴大。未來的工作可能側重于在傳感器的應力和老化方面進一步優化隔離組件，以提高每個諧振器的頻率穩定性，并在高壓測量中得到實際應用。

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

審核編輯：劉清