中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
海洋科學(xué)、石油工業(yè)、井下鉆探及氣體傳輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)Ω呔?、高分辨率的高壓測量的需求日益增長，MEMS壓力傳感器有望在這些領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在目前的研究中，壓阻式和電容式MEMS壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉等優(yōu)點，通過改變膜片或空腔的尺寸或形狀，已被應(yīng)用于大量程的壓力測量。然而，這些MEMS高壓傳感器在整個壓力和溫度量程范圍內(nèi)普遍存在精度不足的問題。作為替代方案，諧振式MEMS壓力傳感器則具有高精度和高分辨率的優(yōu)勢，為高壓測量開辟了新的可能性。
近日，中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院的研究團(tuán)隊開發(fā)了一種基于體積壓縮敏感、微梁支撐雙諧振器結(jié)構(gòu)的硅基諧振式MEMS壓力傳感器。在工作過程中，當(dāng)MEMS壓力傳感器的體積在高壓下壓縮時，諧振器的頻率會發(fā)生偏移。一對微梁被用于支撐諧振器，并防止其在高壓下發(fā)生屈曲。同時，研究人員建立了微梁的理論模型，根據(jù)微梁幾何參數(shù)與諧振器壓力靈敏度之間的表達(dá)關(guān)系，對兩個諧振器的微梁進(jìn)行了差異化設(shè)計，使其具有不同的壓力靈敏度，從而實現(xiàn)了有效的溫度自補(bǔ)償。
在20?°C條件下，所制備的MEMS壓力傳感器的靈敏度為：諧振器I為0.003?kHz/MPa（約為30?ppm/MPa），諧振器II為?0.118?kHz/MPa（約為?1311?ppm/MPa），與理論分析相符。最后，在?10?°C至50?°C溫度和0.1至70?MPa壓力范圍內(nèi)，結(jié)合溫度自補(bǔ)償功能的MEMS壓力傳感器的精度優(yōu)于0.01% FS，響應(yīng)時間優(yōu)于10?ms，分辨率可達(dá)100?Pa。上述研究成果以“A 70?MPa silicon resonant pressure microsensor with resonators supported by micro beams based on volume compressed sensing”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
圖1a展示了MEMS壓力傳感器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計，主要由兩部分組成：絕緣體上硅（SOI）晶圓和作為封蓋的硅晶圓。微梁支撐結(jié)構(gòu)與諧振器位于SOI的器件層中。具體而言，包括用于溫度補(bǔ)償、對壓力不敏感的諧振器I，以及對壓力敏感的諧振器II，此外還包括微梁支撐結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動和檢測電極。諧振器通過微梁支撐與錨連接（圖1b）。硅封蓋與SOI的器件層通過Au/Si共晶鍵合實現(xiàn)真空封裝。硅通孔刻蝕在襯底層以連接器件層上的焊盤，從而實現(xiàn)電氣連接。
圖1 MEMS壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計和體積壓縮敏感原理
圖1c展示了體積壓縮敏感原理。諧振器通過微梁支撐與錨連接，不同于膜片式感知方式，這里的錨點同時與SOI的襯底層和硅封蓋進(jìn)行鍵合。諧振器與吸氣劑僅占據(jù)很小的腔體空間，腔體尺寸盡可能地被最小化，從而使整個MEMS壓力傳感器在承受壓力時能夠整體發(fā)生壓縮，而不會像膜片那樣產(chǎn)生局部變形，傳感器內(nèi)部形成均勻的應(yīng)力場，進(jìn)而引起兩個諧振器的頻率偏移。
圖2a展示了采用體硅工藝制造諧振式MEMS高壓傳感器的流程。如圖所示，步驟i至vi包括深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）、氧化層去除以及共晶鍵合。圖2b顯示了諧振器的結(jié)構(gòu)，圖2c則為諧振器的橫截面圖。此外，圖2d和2f分別展示了兩個諧振器所采用的不同微梁結(jié)構(gòu)。隨后，在步驟vii和viii中，通過氣態(tài)氫氟酸和Au/Cr掩模制備了作為應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的圖案化BF33晶圓。該應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)通過晶圓陽極鍵合方式與硅封蓋結(jié)合，最終形成的晶圓級諧振式MEMS壓力傳感器被切割成單個芯片，成品微型傳感器如圖2e所示，尺寸為3.3?mm?×?3.3?mm?×?1.6?mm。
圖2 MEMS高壓傳感器的制造工藝和圖像
為了驗證所開發(fā)的MEMS壓力傳感器的特性并提升其環(huán)境適應(yīng)性，將其采用油填充（oil-filled）封裝（圖3a）。隨后，研究人員利用測試系統(tǒng)（圖3b）對該傳感器進(jìn)行了測試。所使用的活塞式壓力計（BHY-160B）可提供高達(dá)70?MPa的液壓壓力，精度為0.005%。溫度試驗箱（SU-262）用于提供不同的溫度環(huán)境條件。MEMS壓力傳感器將兩個諧振器的頻率以及壓力數(shù)據(jù)回傳至主控計算機(jī)。圖3c和3d分別展示了MEMS壓力傳感器在0.1?~?70?MPa壓力范圍和?10?~?50?°C溫度范圍內(nèi)的壓力靈敏度及溫度擾動特性。在20?°C條件下，諧振器I的壓力靈敏度為0.003?kHz/MPa（約30 ppm/MPa），諧振器II的壓力靈敏度為?0.118?kHz/MPa（約?1311 ppm/MPa）。兩個諧振器的溫度擾動分別為?1.270?Hz/°C（約?12.2 ppm/°C）和?0.943?Hz/°C（約?9.75 ppm/°C）。
圖3 MEMS壓力傳感器的油填充封裝與壓力靈敏度和溫度擾動特性
MEMS壓力傳感器在不同溫度條件下（?10?°C、20?°C和50?°C）的測量誤差如圖4b所示，在這些溫度下其精度優(yōu)于0.01%FS。微型壓力傳感器的響應(yīng)特性如圖4c所示。在20?°C條件下，微型壓力傳感器的分辨率可達(dá)100?Pa（圖4d）。
圖4 MEMS壓力傳感器的精度、響應(yīng)時間和分辨率
綜上所述，這項研究設(shè)計、制造了一種基于體積壓縮敏感的雙諧振器結(jié)構(gòu)的諧振式MEMS高壓傳感器，并對其進(jìn)行了實驗表征。MEMS壓力傳感器中的兩個諧振器在受壓狀態(tài)下展現(xiàn)出不同的壓力靈敏度，可實現(xiàn)溫度自補(bǔ)償功能。所開發(fā)的MEMS壓力傳感器的特性與設(shè)計規(guī)格相符，在?10至50?°C的溫度范圍和0.1至70?MPa的壓力范圍內(nèi)，測量精度達(dá)到了0.01% FS。此外，通過油填充的隔離結(jié)構(gòu)，MEMS壓力傳感器可適應(yīng)復(fù)雜的液壓測量環(huán)境。結(jié)果表明，基于體積壓縮敏感與微梁結(jié)構(gòu)的諧振式MEMS壓力傳感器具有高強(qiáng)度、高精度、優(yōu)異的分辨率及充足的動態(tài)性能等優(yōu)勢。
