片上集成温度补偿的MEMS谐振式压力传感器，面向航空航天快速温变应用环境
2026-08-07 17:04:05 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文提出了一种集成谐振结构与二极管温敏结构的新型MEMS谐振式压力传感器方案，有效解决了飞行器快速机动过程中压力测量所面临的温度响应瓶颈问题。
谐振式压力传感器（RPS）是实现高精度MEMS压力测量的关键器件。当它工作时，环境温度变化引起的热应力会导致敏感结构的谐振频率发生变化，从而严重降低测量精度。因此，温度补偿对于其实现高精度测量至关重要。片外温度传感器（OFTS）通常被用于获取温度数据以进行算法补偿，然而，当温度快速变化时，传统的片外温度传感器存在热传导滞后问题，限制了谐振式压力传感器在飞行器快速机动过程中的测量精度。
据麦姆斯咨询报道，针对上述瓶颈，西北工业大学与陕西华燕航空仪表有限公司的研究人员组成的团队提出了一种集成谐振结构与二极管温敏结构的新型MEMS谐振式压力传感器方案。通过采用片上集成温度传感器（OCITS），并结合频率-温度双参数四阶多项式补偿算法，实现了快速温变条件下的高精度压力测量。采用深反应离子刻蚀（DRIE）体硅工艺制备了谐振式压力传感器原型，并在动态温度-压力条件下进行了测试。
实验结果表明，在温度变化速率为1 °C/min时，片上集成温度传感器的响应延迟≤50 ms；在−55~100 °C温度范围和3.5~285 kPa压力范围内，所提出的MEMS谐振式压力传感器的综合精度达到满量程（FS）的0.0038%，相比采用片外温度传感器方案时的0.014% FS提高了3.68倍。本研究突破了飞行器快速机动过程中高精度压力测量所面临的温度响应滞后瓶颈，为航空航天领域高精度MEMS传感器提供了一种可靠的解决方案。上述研究成果以“Resonant Pressure Sensor With On-Chip Integrated Diode for Rapid Temperature Change in Aerospace”为题发表于IEEE Sensors Journal期刊。
新型MEMS谐振式压力传感器设计
在实际应用中，采用片外温度传感器测量温度信号是一种常见方法，其封装结构如图1a所示。在这种情况下，被测气体温度的传递路径为“金属-印制电路板（PCB）-温度传感器”。因此，由于不同材料之间的热导率存在差异，片外温度传感器难以准确获取被测气体的真实温度。
图1 谐振式压力传感器封装示意图：（a）采用片外温度传感器的谐振式压力传感器（b）集成片上温度传感器的新型谐振芯体
为提高温度测量精度，通常采取两项措施：第一，将温度传感器尽可能靠近谐振敏感芯体安装（如图1a所示）；第二，在温度标定过程中预留足够的热平衡时间，使温度传感器测得的温度与被测气体温度保持一致。尽管上述措施能够在一定程度上提高温度测量精度，但当被测气体温度快速变化时，片外温度传感器仍无法实现快速跟踪和准确响应。
为解决这一问题，研究人员将温度测量结构集成于谐振结构中，从而形成一种集成片上温度传感器的新型谐振敏感芯体（如图1b所示）。该温度测量结构采用体硅MEMS工艺，与谐振结构制备于同一硅层。在实际应用中，被测气体与压力膜片晶圆直接接触，从而使温度测量结构能够对气体温度变化进行快速、实时响应。
接着，研究人员利用COMSOL软件建立了多物理场仿真模型，对两种温度传感器方案在不同温度变化条件下的温度响应进行了仿真。结果表明，对于中等、快速温度变化的场景（温度变化速率分别为1 °C/min 和10 °C/min），片上温度传感器仍能保持稳定响应，而片外温度传感器因响应滞后难以满足实时测量的需求。
基于仿真结果，研究团队设计了一种集成谐振结构与二极管测温结构的新型MEMS压力传感器，如图2所示。温敏结构与谐振结构制备于同一硅层，并分布在谐振结构周围，以提高测量精度。二极管测温结构如图3所示。在该设计中，P型硅（P-Si）位于N型硅（N-Si）区域的中心，形成面积为100 μm × 100 μm的有效p–n结。N-Si台阶区域通过SiO₂保护层与器件硅层隔离，仅在电极引出区域开设窗口以暴露硅表面，其余区域均由SiO₂完全覆盖，从而实现电绝缘。
图2 新型MEMS谐振式压力传感器的结构示意图
图3 二极管测温结构示意图
此外，为实现高精度压力补偿，研究人员还提出了一种温度-频率双参数多项式补偿算法。
MEMS谐振式压力传感器原型制造
集成片上温度传感器的谐振芯体采用MEMS领域成熟的DRIE体硅工艺制备，用于刻蚀谐振梁和温敏结构（两者制备于同一硅层，以保证热耦合）。电极通过硅通孔（TSV）技术引出，随后与石英玻璃进行键合，最终形成谐振芯体。主要制备工艺流程如图4所示。
图4 主要的MEMS制造工艺流程示意图
对集成片上温度传感器的谐振芯体进行筛选后，制备了测试原型。谐振芯体的封装部分如图5所示，测试原型如图6所示。
图5 封装结构示意图：（a）片外温度传感器与谐振芯体的封装结构（b）集成片上温度传感器的谐振芯体封装结构
图6 MEMS谐振式压力传感器原型
MEMS谐振式压力传感器测试与验证
为验证MEMS谐振式压力传感器原型的温度特性及性能，研究人员搭建了如图7所示的测试系统。该测试系统包括测试原型、气体管路、大气环境模拟系统、温度试验箱以及上位机。其中，温度试验箱的控温精度为±1 °C，大气环境模拟系统采用DRUCK公司的ADTS405。
图7 测试平台
将集成片上温度传感器的原型和采用片外温度传感器的原型同时置于同一温度试验箱中进行测试。温度输出曲线如图8所示。在温度变化速率为1 °C/min时的实验条件下，集成片上温度传感器的原型仍保持快速响应特性，并能够准确跟踪温度试验箱的实际温度变化。相比之下，采用片外温度传感器的原型响应速度较慢，其温度输出相对于试验箱实际温度曲线存在明显滞后。两种原型的对比结果表明，集成片上温度传感器的原型展现出了预期优势。
图8 两种测试原型的温度输出曲线
为验证原型的实际性能，利用大气环境模拟系统和温度试验箱开展了环境测试。两种原型的测量结果误差如图9所示。集成片上温度传感器的原型的实测最大压力误差略高于理论值，但低于之前版本采用片外温度传感器的原型。基于实测误差计算得到的综合精度达到0.0038% FS，相比之前版本采用片外温度传感器的原型提高了3.68倍。该结果表明，即使考虑工程实现过程中存在的实际因素，所提出的集成片上温度传感器方案仍能够实现优异的实际测量精度。
图9 测量结果误差：（a）集成片上温度传感器的原型（b）采用片外温度传感器的原型
结论
综上所述，这项研究提出了一种集成片上温度传感器（OCITS）并结合四阶补偿算法的新型MEMS谐振式压力传感器（RPS）。实验结果表明，在温度变化速率为1 °C/min时，OCITS的响应延迟≤50 ms；在−55～100 °C温度范围和3.5~285 kPa压力范围内，该传感器综合精度达到0.0038% FS，相比片外温度传感器（OFTS）方案提高了3.68倍。这项新方案有效解决了飞行器快速机动过程中压力测量所面临的温度响应瓶颈问题。
论文信息：DOI: 10.1109/JSEN.2026.3655464
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