利用微尺度效应提升MEMS差压传感器的过载能力
2026-05-23 06:06:36   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

微尺度效应是指材料物理、化学、力学等性能随长度、体积、面积等特征尺寸变化而发生显著改变的一类现象。该效应因在提升传热效率、改善力学性能以及显著增强静电力等方面具有独特能力，已被广泛应用于各类MEMS器件中。对于MEMS压力传感器而言，过载能力是其关键性能指标，直接决定传感器在承受高压冲击后能否保持正常工作。传统的压阻式差压传感器虽然在灵敏度、稳定性和成本方面具备优势，但在过载压力冲击下，其硅膜片或压敏电阻等敏感结构容易发生断裂，导致器件失效。

据麦姆斯咨询报道，为提升传感器过载能力并兼顾灵敏度，大连理工大学杜立群教授团队将单晶硅膜片的微尺度强度效应引入MEMS差压传感器的通用设计方法中，建立了结构尺寸参数与单晶硅膜片断裂强度之间的关系，进而设计出一种具备高过载能力的压阻式MEMS差压传感器，验证了微尺度效应对传感器过载能力的提升作用。相关研究成果以“Leveraging the microscale effect to enhance the overload capacity of a piezoresistive differential pressure sensor”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

单晶硅膜片的断裂强度具有明显的微尺度效应，即其断裂强度会随膜片尺寸（例如特征长度和膜片厚度）的变化而改变。在MEMS差压传感器中，作为敏感元件的单晶硅膜片，尺寸不同则断裂强度存在差异。为了利用微尺度效应提升MEMS差压传感器的过载能力，研究人员建立了考虑单晶硅力学微尺度效应的过载优化模型。为了建立该模型，研究人员通过爆破压力测试对不同厚度的膜片进行了断裂强度表征。结果表明，基于湿法刻蚀工艺制备的硅压力膜片，当厚度从200 μm减小至15 μm时，其断裂强度从656 MPa提升至904 MPa，印证了超薄硅膜片可借助微尺度效应实现强度强化。

图1 单晶硅膜片断裂强度的测试方法、测试装置及表征结果

图2 微尺度效应的仿真验证与理论机制

敏感膜片结构是决定差压传感器过载性能的关键因素。为进一步提升过载能力，研究人员创新设计了一种圆角十字梁岛（CBIF）超薄膜片结构。在该设计中，十字梁岛结构用于调控并集中应力分布，以保证传感器灵敏度；圆角结构用于降低膜片最大应力，减小应力集中；超薄膜片则用于利用单晶硅的微尺度强度效应，提高膜片断裂强度。三者协同作用，从而提升传感器的抗过载能力。通过有限元仿真和尺寸优化模型，研究人员分析了CBIF膜片结构尺寸对过载能力的影响，利用融入微尺度效应的尺寸优化模型，确定了可实现最高过载能力的结构参数。

图3 CBIF膜片结构在双向压力载荷下的仿真结果

图4 CBIF膜片结构尺寸与应力之间的关系，以及不同膜片结构在爆破压力下的仿真对比

基于MEMS体硅微加工工艺，研究人员进一步制备了CBIF膜片结构MEMS差压传感器样品，并进行了测试。结果表明，所制备的CBIF膜片结构传感器在0 ~ 100 kPa压力范围内实现了10.5 ± 0.3倍满量程（FS）的爆破压力，灵敏度为0.16 mV/V/kPa。与传统C型膜片结构传感器相比，在相同压力范围和相同灵敏度条件下，CBIF膜片结构传感器的过载能力提升了66.4%。

图5 制备完成的CBIF膜片结构MEMS差压传感器照片

图6 测试平台及测试结果

这项研究工作证明了微尺度效应在MEMS差压传感器设计中的重要应用价值。当膜片厚度小于100 μm时，无论是常规C型膜片、本研究提出的CBIF膜片还是其它结构设计的膜片，均会表现出明显的微尺度效应。尽管这一特性能够显著提升硅膜片的结构强度，但在当前的传感器设计中尚未得到充分重视。因此，在未来的MEMS传感器结构设计与性能优化过程中，应将强度相关的微尺度效应作为关键设计因素予以考量。

论文信息：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01332-y

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