真空腔型电容式CMOS-MEMS压力传感器，助力动态压力和气流速度测量
2026-08-02 08:33:55 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究团队开发了一种面向流场动态压力测量的电容式压力传感器。该传感器采用联电（UMC）CMOS-MEMS工艺制造，并结合了金属湿法蚀刻、超临界二氧化碳干燥和聚对二甲苯封装等后处理工艺。
电容式压力传感器在缓解热效应问题方面取得了显著进展，并且其电容随压力变化的比率高于压阻式传感器。与压阻式压力传感器相比，电容式压力传感器具有高灵敏度、低功耗以及低热敏感性等优势，非常适用于现场测量领域的动态压力变化检测。
据麦姆斯咨询报道，近日，台湾淡江大学与台湾半导体研究中心的研究团队开发了一种面向流场动态压力测量的电容式压力传感器。该传感器采用联电（UMC）0.18 μm CMOS-MEMS工艺制造，并结合了金属湿法蚀刻、超临界CO₂干燥和聚对二甲苯封装等后处理工艺。该电容式压力传感器架构采用ADI公司的AD7746作为电容-电压转换器（CVC）——可将电容信号转换为电压信号输出。在结构方面，该电容式压力传感器采用真空密封膜片腔结构设计，以两个可动圆形薄膜作为传感电极。器件采用带有梯形或钟形真空腔膜片的接触式电容结构，以提高线性度和灵敏度。测量结果表明，该压力传感器输出灵敏度能够满足1-2 Pa分辨率的动态压力测量。相关研究成果以“Development of Vacuum-Chamber-Type Capacitive Micro-Pressure Sensors”为题发表于Micromachines期刊。
电容式CMOS-MEMS压力传感器设计
如图1所示，当传感电极膜片在压力作用下发生变形时，由于平行极板之间的间隙变化，传感器电容随之改变。通过测量电容的变化，即可获得压力的变化信息。
图1 电容式CMOS-MEMS压力传感器工作原理
在探讨压力传感器的线性度优化之前，研究团队首先采用双可变形膜结构（即图2a所示的真空腔结构），以使图1所示传感器的输出灵敏度提高一倍。CMOS-MEMS制造工艺进一步简化了该腔室结构的制造工艺。为了避免膜片边缘发生结构失效，研究团队将图2a中的方形真空腔优化为图2c中的菱形结构，这是一种可行解决方案。
图2 各类双可变形膜结构
电容式CMOS-MEMS压力传感器制造工艺
研究人员重点设计并制造了一种真空腔型电容式压力传感器，采用UMC 0.18 μm CMOS-MEMS制造工艺，并通过后道工艺（post-fabrication）——金属湿法蚀刻工艺实现悬浮结构。CMOS-MEMS技术使得器件微型化，并在结构鲁棒性、灵敏度性能和成本效益方面实现了显著提升。
图3 各层对应的CMOS工艺标准示意图
图2e利用图3所示的CMOS工艺层设计了两步真空型压力传感器的双膜片结构。图4a展示了整个电容式压力传感器的横截面。图5展示了电容式压力传感器的俯视图及真空腔与衬底的连接结构示意图。图6为整体结构设计尺寸。图7总结了器件制造工艺，包括沉积工艺以及XeF₂刻蚀、湿法蚀刻和聚对二甲苯涂层等后处理工艺。
图4 电容式CMOS-MEMS压力传感器的剖面图及三维视图
图5 电容式CMOS-MEMS压力传感器的俯视图及真空腔与衬底的连接结构示意图
图6 电容式CMOS-MEMS压力传感器的尺寸
图7 电容式CMOS-MEMS压力传感器制造工艺
电容式CMOS-MEMS压力传感器评估测试
研究团队利用COMSOL软件对所设计电容式压力传感器进行了仿真分析。COMSOL中的contact pair功能可模拟腔式电容器结构（如图8a）在一定压力载荷范围内的接触行为。因此，应用该实验设置在0至100 kPa的压力范围内进行了仿真，并使用了500个计算节点。图8b展示了电容随压力变化的仿真结果。
图8 （a） COMSOL仿真结果；（b）真空腔的电容与压力关系曲线；12-15 kPa区间的阴影拐点表示第一个接触点的内移。
本研究采用电容-电压转换器（CVC）AD7746，将电容信号转换为电压信号。AD7746不仅能根据相应的电容值输出电压信号，还能有效降低寄生电容的影响。如图9a所示，该传感器的压力测试在真空容器中进行，以便同时控制环境变化并分析传感器信号。图9b中的CVC AD7746将电容变化转换为电压信号，以供后续处理。
图9 真空腔系统及AD7746与PCB板的布置
经过测试表明，该电容式CMOS-MEMS压力传感器在0-12 kPa的压力范围内展现出0.5785 fF/kPa的最高灵敏度；能够检测到1.74 Pa的最小压力变化和1-2 m/s的最小风速变化，可满足现场动态压力和气流速度测量需求。
展望未来，研究团队将进一步优化真空腔型电容器结构的制造工艺。凭借体积小、受温度影响小等优点，该CMOS-MEMS电容式传感器和执行器技术有望应用于各类恶劣环境下无人驾驶车辆的现场检测。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi16111290
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