基于SOI的MEMS压力-温度集成传感器，面向油气勘探极端应用环境
2026-08-01 15:39:52 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

这款基于SOI结构的压阻式MEMS压力-温度集成传感器，为非常规油气开发及极端环境下的井下多参数监测提供了一种极具潜力的解决方案。

在非常规油气资源开发过程中，水力压裂监测对于提升地下储层孔隙度、渗透率以及油气产能至关重要。在水力压裂过程中，压力与温度是最关键的监测参数。用于油气井的压力传感器必须能够在高压、高温、机械冲击以及长期运行等严苛工况下，保持高准确性、稳定性和可靠性。近年来，MEMS技术快速发展，光纤式、谐振式、电容式、压电式、压阻式等多种传感方案已逐步应用于井下监测，但满足极端环境的压力-温度一体化解决方案仍面临诸多挑战。

据麦姆斯咨询报道，针对油气勘探井下应用需求，墨西哥华雷斯自治大学的研究团队设计并开发了一种基于绝缘体上硅（SOI）的压阻式MEMS压力-温度集成传感器，为井下高温高压多参数传感提供了新的路径。相关研究成果以“SOI-Structured Piezoresistive Pressure Sensor with Integration of Temperature Sensor for Downhole Applications”为题发表在Sensors期刊上。

这项研究工作开发的MEMS压力-温度集成传感器，旨在监测油气勘探井底在水力压裂过程中的环境状态，其设计目标是在90 ~ 115°C的温度范围和最高70 MPa的压力下可靠工作，同时受封装尺寸限制，整个芯片组件的单边尺寸需要控制在约2 mm以内。综合工作环境、芯片尺寸和测量需求，研究人员采用压阻式压力传感与电阻式温度传感相结合的方案，并选用SOI晶圆，以提高器件的热稳定性。

在器件结构设计方面，压力敏感结构采用直径1550 μm、厚度190 μmm的圆形硅膜片。与矩形膜片相比，圆形结构能够在周边形成更加均匀的应力和应变分布。在温度传感结构方面，为减小膜片机械应力对温度测量的干扰，温度电阻采用纵向与横向相结合的蛇形布局，使不同方向产生的压阻效应相互抵消，从而能够将温度电阻布置在压力敏感膜片边缘附近，在降低应力干扰的同时提高芯片面积利用率。

该MEMS压力-温度集成传感器基于4英寸SOI晶圆，结合深反应离子刻蚀（DRIE）和阳极键合工艺制备。该研究的创新之处在于，一方面通过选择电阻率为0.015 Ω·cm、厚度为5 μm的p型器件层直接形成压阻元件和温度电阻，省去离子注入步骤，从而简化了制备工艺。另一方面通过埋氧层（BOX）开口、支撑结构与金属互连路径，实现了从器件层顶面到支撑晶圆的直接电连接，进而为阳极键合过程提供所需电流，并形成密封的压力传感腔体。辅助支撑结构还能帮助传感器承受键合过程中的机械载荷，避免敏感结构发生破裂。

蛇形压阻元件版图及其在膜片顶部的位置

图1 蛇形压阻元件版图及其在膜片顶部的位置

温度传感单元版图

图2 温度传感单元版图

（a）完整的器件版图，包括四个压力压阻元件和四个温度电阻元件；（b）带有BOX开口的支撑结构截面；（c）压阻元件与键合支撑结构截面

图3 （a）完整的器件版图，包括四个压力压阻元件和四个温度电阻元件；（b）带有BOX开口的支撑结构截面；（c）压阻元件与键合支撑结构截面

MEMS压力-温度集成传感器的制造工艺

图4 MEMS压力-温度集成传感器的制造工艺

制造完成的MEMS压力-温度集成传感器

图5 制造完成的MEMS压力-温度集成传感器

为了模拟油气井底环境并验证该传感器的性能，研究人员开发了一套经济型高压测试系统，可在最高55 MPa和150°C条件下对器件进行表征。测试结果表明，该集成传感器的压力传感单元在0 ~ 55 MPa范围内表现出良好的线性响应，灵敏度为0.0268 mV/V/MPa，满量程最大迟滞为5.3%；温度传感单元在32°C ~ 150°C范围内电阻呈二次函数变化，在140°C时最大电阻变化为8.5%。

用于压力-温度集成传感器表征的低成本高压测试装置