基于复合压敏机制的谐振式微型压力传感器，实现高精度的高压测量
2024-03-23 19:26:46   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

微机电系统（MEMS）压力传感器具有功耗低、体积小、成本低、对测量对象影响小等优点，广泛应用于航空航天、生物医药、工业控制和环境监测等领域。在一些研究中，压阻式或电容式MEMS压力传感器已被用于实现高压测量。然而，由于严重的温度干扰或较差的线性，这些压阻式和电容式微型高压传感器都缺乏全量程精度。

据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院空天信息创新研究院王军波教授团队开发了一种隔膜弯曲和体积压缩相结合的复合压敏机制，用于谐振式微型压力传感器，实现了高精度的高压测量。该微型传感器采用微加工技术制造，实验结果表明，在0.1~100 MPa的压力范围和-10~50℃的温度范围内，该传感器的满量程精度为±0.015%。相关研究成果以“A resonant high-pressure microsensor based on a composite pressure-sensitive mechanism of diaphragm bending and volume compression”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

如下图所示，锚定在空腔底面的谐振器的应力状态可以通过复合机制反映外部压力。包含谐振器的腔体可以构建具有隔膜弯曲和体积压缩的复合结构。通过这种复合机制，研究人员开发了一种新的谐振式微型高压传感器，其小型化的空腔加强了隔膜结构，以实现更大的范围。此外，利用不同宽度的双谐振器腔可以实现高精度。

谐振式微型高压传感器的总体设计

通过4英寸SOI晶圆（器件层为40 μm，氧化层为2 μm，衬底层为300 μm）和两个4英寸硅晶圆（厚度分别为1 mm和2 mm）来实现材料选择。为了避免引入其它的热应力，并实现稳定的热应力隔离，隔离层材料是具有低掺杂水平和<100>取向的N型硅。主要的制造工艺包括深反应离子蚀刻（DRIE）、谐振器释放、物理气相沉积（PVD）和晶圆级键合。

谐振式微型高压传感器的制造工艺

实验结果表明，所制造的谐振式微型高压传感器在0.1~100 MPa的压力范围和-10~50°C的温度范围内具有±0.015%满量程的精度。在20°C的温度下，差分频率的压力灵敏度为261.10 Hz/MPa（~ 2523 ppm/MPa）；在2 MPa的压力下，双谐振器的温度灵敏度为1.54 Hz/°C（~ 14.5 ppm/°C）和1.57 Hz/C（~−15.6 ppm/°C）。在恒温恒压条件下，差分输出在0.02 Hz范围内具有优异的稳定性。

谐振式微型高压传感器实验平台及测试结果

总而言之，研究人员通过将隔膜弯曲和体积压缩相结合有效实现压力/应力转换，验证了谐振式微型压力传感器的复合压敏机制，并开发了一种具有双谐振器的多腔全硅谐振式微型高压传感器。与两种传统的单一机制相比，复合压敏机制可以在宽温度范围内实现高测量范围和高精度。通过两种单一机制的自适应和组合，可以很容易地实现具有正负压力灵敏度的双谐振器的匹配设计。差分输出进一步提高了灵敏度并实现了温度自补偿。实验结果验证了该微型传感器在精度、品质因数、灵敏度和稳定性方面的高性能。然而，基于复合压敏机制的微型传感器的隔膜结构薄弱，限制了压力范围的进一步扩大。未来的工作可能侧重于在传感器的应力和老化方面进一步优化隔离组件，以提高每个谐振器的频率稳定性，并在高压测量中得到实际应用。

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

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