中科院空天院研发高精度全硅MEMS谐振式压力传感器，满足高精度和高可靠应用要求
2026-08-14 15:32:34 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究开发了一种全硅MEMS谐振式压力传感器。采用硅-硅键合的全硅结构，降低了界面热阻，从而同时实现了高精度和快速热响应。通过将电极引线孔与压力介质相隔离，解决了谐振式压力传感器在腐蚀性环境中工作时常见的失效问题。
随着复杂工作环境下对高可靠性和高精度的测量要求不断提高，传统的谐振式压力传感器面临三项关键挑战：（1）在-55℃~ 85℃的温度循环和0.1 ~ 110 kPa的压力循环下，测量精度显著下降，难以满足高精度测量场景的指标要求；（2）异质材料结构（例如硅-玻璃复合材料）的热惯性较大，导致传感器在动态温度环境下的热响应缓慢且测量滞后；（3）由于压敏结构与电极通道的集成设计，腐蚀性被测介质（例如工业废气、化学试剂）会腐蚀电极引线，从而严重缩短传感器的使用寿命。
图1 谐振式压力传感器敏感元件的实物照片
据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院空天信息创新研究院提出了一种新型全硅结构的MEMS谐振式压力传感器。该传感器采用全硅器件层，在温度循环和压力循环测试中均实现了0.01% 满量程（FS）的测量精度。通过采用低温等离子体增强硅-硅键合工艺，该传感器实现了更快的热响应速度，使其能够快速适应动态温度变化。此外，通过将压敏膜片与电极孔分离设计，有效隔离了电极引线与腐蚀性被测气体，从而抑制了长期工作中的电极引线的劣化。实验结果证明，该全硅MEMS谐振式压力传感器在极端环境干扰下仍能保持稳定的性能，可满足工业过程控制、航空航天工程和汽车电子等领域对高精度和高可靠应用的严格要求。相关研究成果以“A High-Accuracy All-Silicon Resonant Pressure Sensor with Rapid Thermal Response and Corrosion-Resistant Electrode Protection Structure”为题，发表于IEEE NEMS 2026国际会议。
器件结构设计
该全硅MEMS谐振式压力传感器的敏感元件采用全硅结构（如图2），从而消除了传统的传感器中因硅、玻璃等异质材料之间因热失配而导致的性能退化。核心组件包括压敏膜片、双端固支音叉（DETF）谐振器以及隔离层。DETF谐振器与压敏膜片单片集成，其谐振频率与施加在膜片上的压力呈线性关系。全硅结构确保了整个传感器具有一致的热膨胀系数，为实现温度循环条件下的高精度测量奠定了基础。
图2 全硅MEMS谐振式压力传感器敏感元件结构示意图：左侧为金-硅共晶键合结构，右侧为硅-硅键合器件
全硅MEMS谐振式压力传感器的主要特点包括：（1）采用硅-硅键合技术实现全硅器件层；（2）在隔离层中增加金属吸气剂；（3）将膜片与电极引线孔分离。压力入口与电气通孔相互隔离，从而防止腐蚀性气体接触金属电极（如图3）。
图3 电极引线孔与膜片分离结构示意图
器件制造工艺
全硅MEMS谐振式压力传感器采用基于掩模的微加工工艺，在绝缘体上硅（SOI）晶圆上制造而成，关键制造工艺步骤如图4所示。
图4 关键制造工艺步骤示意图
本研究采用先进的低温等离子体增强硅-硅键合工艺，将键合温度成功降低到400℃。该工艺不仅能够降低高温引起的热应力与晶格缺陷，还能更好地保护已形成的微纳结构。这种低温、短时键合工艺显著降低了传感器多层结构中的残余热应力。
图5 扫描声学键合界面示意图
实验结果
压力循环测试
为了验证全硅MEMS谐振式压力传感器的压力响应特性和长期可靠性，研究团队在0.1-110 kPa的标准压力范围内开展了系统的压力循环测试。测试结果表明，该传感器的输出频率与施加压力之间呈现出良好的线性关系。
重复性
经过多次完整的压力施加-卸载循环后，全硅MEMS谐振式压力传感器未出现明显迟滞或输出漂移，重复性误差优于0.01% FS。这充分证实了该器件结构具有较高的机械稳定性以及良好的测量一致性。
温度循环测试
为了评估全硅MEMS谐振式压力传感器在极端环境温度下的性能稳定性，研究团队在-55°C至85°C的宽温度范围内进行了温度循环测试。在整个温度范围内，该传感器输出的最大偏差严格控制在±0.01% FS以内。
为了进一步评估全硅MEMS谐振式压力传感器在快速温度变化条件下的动态响应和精度保持能力，研究团队进行了温度跟踪测试。在短短的6分钟内，测试环境温度从-55℃迅速升高到-45℃。在此温度动态变化过程中，全硅MEMS谐振式压力传感器的测量精度始终稳定在±0.01% FS的目标范围内。
总结
综上所述，这项研究开发了一种全硅MEMS谐振式压力传感器。采用硅-硅键合的全硅结构，降低了界面热阻，从而同时实现了高精度和快速热响应。通过将电极引线孔与压力介质相隔离，解决了谐振式压力传感器在腐蚀性环境中工作时常见的失效问题。未来的工作可进一步聚焦于器件的微型化，以及与CMOS电路的片上集成。
论文链接：https://doi.org/10.1109/NEMS69704.2026.11633842
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