东北大学开发多环形腔MEMS电容式压力传感器，实现灵敏度与线性度协同优化
2026-08-08 14:23:03   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

近年来，随着微加工技术的不断发展，MEMS压力传感器的研究工作受到了广泛关注。常见的压力传感器类型包括压阻式、电容式和谐振式。其中，电容式压力传感器（CPS）具有高灵敏度和低功耗等优势，而柔性技术和MEMS技术则是电容式压力传感器近些年最重要的研究方向。然而，对于MEMS电容式压力传感器而言，如何在提升灵敏度的同时保持良好的线性度，并在二者之间实现优化平衡，仍然是当前研究面临的重要挑战。

据麦姆斯咨询介绍，为了解决上述挑战，东北大学研究团队聚焦压力传感器腔体结构，提出了一种多环形腔结构。他们在玻璃衬底表面刻蚀由多个紧凑同心环形腔组成的阵列结构。这些环形腔的内外径之间保持固定差值，从而将压力传感器划分为多个环形感测区域。每个感测区域均表现出相似的机械位移特性和电容响应趋势。通过叠加所有区域产生的电容输出，该压力传感器能够同时提升线性度和灵敏度。

此外，与现有依赖复杂结构改进的方法（例如在膜片上设计波纹凸起结构或空心岛结构）相比，该研究将创新重点集中于腔体几何结构优化。在玻璃衬底上刻蚀多个环形腔体不仅简化了制造工艺，同时也有利于实现规模化批量生产。

上述研究成果以“Design and Simulation of an MEMS Capacitive Pressure Sensor With Multiple Annular Cavities”为题，发表于IEEE Sensors Journal期刊。

压力传感器设计与制备

该研究所提出的多环形腔电容式压力传感器（MACCPS）的结构如图1所示。该传感器由单晶硅膜片、玻璃衬底、二氧化硅（SiO₂）绝缘层以及铝电极组成。通过刻蚀工艺，在玻璃衬底上制备了5个具有相同径向宽度的同心环形腔体。其膜片由玻璃衬底支撑的区域保持固定不变，而位于环形腔体上方的5个环形感测区则可在绝对压力作用下发生形变。这些环形感测区域与对应腔体具有完全相同的几何结构。

图1 多环形腔电容式压力传感器的剖面视图，膜片偏转区示意图

在外部压力作用下，环形感测区会向下发生形变，使膜片与固定电极之间的间距减小。间距的降低会导致压力传感器输出电容增大，从而通过电容式检测实现压力测量。

与采用单一腔体结构的传统电容式压力传感器相比，多环形腔电容式压力传感器的分区式环形结构将膜片形变限制在多个小面积区域内，使膜片位移与外部压力之间呈现更加线性的关系。每个环形感测区均设计为具有相同的径向宽度，从而保证所有环形区具有一致的力学行为和高度一致的形变响应。因此，各环形区表现出相似的电容变化趋势，最终使叠加后的传感器输出呈现出较高的线性响应特性。

多环形腔电容式压力传感器采用Pyrex 7740玻璃晶圆和绝缘体上硅（SOI）晶圆等材料制备，并结合光刻、湿法刻蚀以及硅-玻璃键合等工艺实现。其主要制备步骤如下：首先，以玻璃晶圆作为衬底，通过光刻工艺将掩膜版上的环形图案转移至玻璃晶圆表面。然后，采用氢氟酸（HF）溶液进行湿法刻蚀，在玻璃晶圆上形成多环形腔结构。通过光刻工艺在玻璃衬底表面涂覆光刻胶，以便后续去除多余的铝层和SiO₂层。再利用磁控溅射技术在玻璃衬底上沉积一层铝薄膜。

图2 多环形腔电容式压力传感器主要工艺步骤示意图

之后，采用低压化学气相沉积（LPCVD）工艺，在玻璃衬底表面沉积SiO₂绝缘层。随后通过丙酮溶液溶解光刻胶，同时去除前述步骤中多余的铝层和SiO₂绝缘层，形成所需电极结构。接着，利用硅-玻璃键合技术，将SOI晶圆与玻璃晶圆进行键合。最后，通过湿法刻蚀、机械化学减薄以及抛光工艺去除多余的硅衬底材料，使硅膜片达到设计所需厚度。最终完成多环形腔电容式压力传感器结构的制备。

然后，通过刻蚀工艺去除硅膜片边缘区域的多余硅材料。再采用LPCVD工艺沉积一层SiO₂钝化层，以防止硅膜片与铝电极之间发生短路。通过光刻工艺在SiO₂绝缘层中制作通孔。随后，利用LPCVD工艺沉积铝层，并通过光刻对铝导线进行图形化处理，形成传感器电极结构。

压力传感器参数优化

考虑到膜片半径为2.8 mm，为便于加工制造，选取膜片厚度（h）为10 μm。在工作过程中，膜片的形变量较小。为了提高传感器灵敏度，采用较小的电极间距，其中环形腔高度（g）设定为4 μm，绝缘层厚度（t₁）设定为0.2 μm。

图3 在COMSOL软件中建立压力传感器有限元模型

为了确定环形感测区的最佳径向宽度（D₀），研究人员建立了5种环形薄膜电容式压力传感器（AFCPS）模型，在保持内径固定的情况下改变外径，并在0–100 kPa绝对压力范围内进行了仿真分析。

在保持内径为500 μm不变的情况下，随着外径增大，该压力传感器的电容变化量和灵敏度均得到提升，但同时线性度有所下降。当径向宽度小于450 μm时，传感器的非线性误差保持在1.2% FS以下；然而，此时电容变化量小于0.5 pF，导致灵敏度不足。相比之下，当径向宽度超过550 μm时，虽然灵敏度显著提高，但非线性误差增加至2.89% FS以上。为了在灵敏度和非线性之间实现良好平衡，研究确定环形感测区域的径向宽度应控制在450-550 μm范围内。基于上述分析，该研究最终选择D₀=500 μm的环形感测区作为传感器设计参数。

图4 相同径向宽度下AFCPS的电容特性

随后，研究人员对3组AFCPS模型进行了仿真分析，每组模型具有不同的内径和外径，但均保持500 μm的径向宽度。

在0-100 kPa压力范围内，随着膜片内径和外径的增大，传感器的初始电容值和电容变化量均随之增加。采用最小二乘法对仿真结果进行线性拟合，得到各组传感器的非线性误差分别为：I组1.81% FS、II组1.80% FS、III组1.80% FS。结果表明，只要保持环形区域的径向宽度不变，即使环形膜片的尺寸发生变化，传感器的非线性性能基本保持不变。

基于这一结论，该研究将膜片上的5个环形感测区均设计为相同的500 μm径向宽度，从而确保5个环形感测区域具有近乎一致的非线性特性。通过电容输出叠加后，多环形腔电容式压力传感器整体非线性误差可接近单个环形感测区域的非线性水平。因此，即使通过增大膜片尺寸增加环形腔数量，该压力传感器仍能够保持较低的非线性误差性能。

图5 多环形腔电容式压力传感器的相对电容随压力的变化规律

在0-100 kPa压力范围内，传感器电容呈现近似线性增加趋势。仿真结果显示，其灵敏度达到0.0944 pF/kPa。5个环形感测区的相对电容变化趋势基本一致，均呈现近似线性上升特征。该变化趋势与多环形腔电容式压力传感器整体相对电容变化高度一致，5个环形区域相对电容变化的最大偏差仅为0.0094。

图6 多环形腔电容式压力传感器在不同温度和残余应力下的灵敏度与非线性度

因此，该压力传感器利用多环形腔结构的优势，在保持与AFCPS器件相当低非线性的同时，实现了灵敏度的大幅提升。该结果验证了多环形腔设计在兼顾高灵敏度与高线性度电容式压力传感器开发中的有效性。

结论

该研究提出了一种多环形腔MEMS电容式压力传感器，并详细介绍了其结构设计、工作原理以及参考制备工艺。通过数学建模方法，系统分析了膜片形变和电容变化规律，并结合有限元仿真对传感器结构参数和尺寸进行了优化设计。

研究结果表明，与圆形膜片结构相比，环形膜片具有更优异的线性性能，并且在保持相同传感器灵敏度的情况下，可实现更大的膜片有效面积。此外，具有相同径向宽度的环形膜片表现出高度一致的位移行为和电容变化趋势，使不同环形膜片结构传感器具有近乎相同的非线性性能。这一发现可为多种环形膜片结构压力传感器的设计提供指导。

基于优化后的结构设计，研究人员进一步对压力传感器基本性能进行了测试与分析，结果验证了该传感器能够在低非线性和高灵敏度之间实现良好的平衡，同时具备优异的过载能力。

未来的研究将进一步优化腔体几何结构和膜片尺寸设计，在保持低非线性的基础上提升压力传感器灵敏度，从而拓展其在汽车电子、工业自动化等高精度压力检测领域的应用潜力。

论文链接：https://doi.org/10.1109/JSEN.2025.3632856

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