一种新型梁膜复合结构MEMS压阻式压力传感器设计

压阻式压力传感器由于尺寸小、响应快、集成度高、输出信号易处理、可批量制作以及成本低等优点被广泛应用于汽车电子、气象监测、生物医药等领域。特别是随着航空航天的发展，分布式传感器网络作为未来飞机系统故障检测和健康管理（PHM）的主要工具，对小量程表压压力传感器的需求不断增加。

对于小量程压力传感器，主要参数即灵敏度和非线性度，一般通过增大膜片面积和减小膜片厚度来提高传感器的灵敏度，但这会导致传感器非线性度增大。如何在保证非线性度的同时提高灵敏度是一个重要问题。

据麦姆斯咨询报道，针对飞机供氧、液压、环控和燃油等系统故障预测与健康管理对小量程压力传感器的重大需求，合肥工业大学许高斌教授团队设计了一种新型梁膜复合结构MEMS压阻式压力传感器。该传感器在-2 ~ 12 KPa的量程内，灵敏度可达21.801 mV/KPa，非线性度仅为0.02%，可用于航天航空等领域对小量程压力进行精确测量。相关研究成果以“小量程高灵敏度压阻式表压压力传感器”为题发表在《真空科学与技术学报》期刊上。

在这项研究工作中，研究人员通过采用新型梁膜复合结构创造应力集中区域并降低膜片形变，在达到平衡传感器非线性度的同时提高了器件的灵敏度。在敏感薄膜设计方面，采用了弧形膜和米字梁复合型结构，并通过弧形硅杯支撑，可以同时提高器件灵敏度和降低非线性度。

仿真结果表明，结构优化不仅能够集中应力，同时也能增加膜片刚度。对各项尺寸进行对比和优化，通过ANSYS有限元分析仿真确定了合适的压敏电阻位置，传感器在-2 ~ 12 KPa量程内的灵敏度为21.801 mV/KPa，非线性度为0.02%，过载为总量程10倍以上。

图1 传感器膜片结构示意图

图2 压力与输出电压的关系

在制作工艺方面，该传感器选用SOI晶圆作为衬底材料，可以方便地控制掺杂厚度。主要工艺流程包括热氧化生长二氧化硅薄膜、离子注入形成压敏电阻、磁控溅射制备金属互连、反应离子刻蚀形成米字梁结构、深反应离子刻蚀制备背腔以及阳极键合形成真空密封腔等工艺流程。

图3 传感器工艺流程图

综上所述，这项研究工作基于MEMS工艺，开发出一种新型梁膜复合结构的压阻式压力传感器。通过合理设计敏感薄膜结构，优化压阻位置以及制作工艺，实现了器件高灵敏度和良好线性度的平衡。该传感器有望满足航天航空等领域对小量程压力精确测量的需求。

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

审核编辑：刘清