高精度MEMS压阻式压力传感器，用于电网SF6气体状态监测
2026-08-14 20:49:12 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
北京智芯微电子科技有限公司的研究团队设计并开发了一种可适用于电力系统SF6数字密度计的高精度、宽温区MEMS压阻式压力传感器。通过在MEMS压敏芯片附近集成专用温度传感器，有效解决了测温偏差制约补偿精度的难题，实现了宽温区下的高精度压力测量。
在电力系统中，六氟化硫（SF₆）凭借优异的绝缘与灭弧性能，被广泛应用于高压断路器、气体绝缘开关设备（GIS）等电网核心设备。SF₆气体密度是评估设备绝缘性能与密封状态的核心指标，一旦发生泄漏，不仅会降低设备的绝缘强度，还可能引发安全事故。作为SF₆气体状态监测的核心器件，数字密度计对配套压力传感器的测量精度和工作温度范围均提出了严苛要求。
然而，当前主流的商用MEMS压阻式压力传感器应用于电网SF₆气体状态监测时仍存在一定局限：一是测量精度不足（现有产品通常为±1% FS），难以满足微泄漏监测需求（微泄漏通常对应≤0.5% FS的压力变化）；二是有效工作温度范围多集中在-20 ~ 80℃，无法覆盖高海拔、寒冷地区等极端环境下的电网设备运行需求。现有产品性能受限的原因主要在于其温度补偿依赖ASIC芯片内置的温度传感器，而ASIC芯片与MEMS压敏芯片之间存在温度梯度，会产生测温偏差，进而降低补偿算法对温漂误差的修正效果。
据麦姆斯咨询报道，针对上述问题，北京智芯微电子科技有限公司的研究团队设计并开发了一种可适用于电力系统SF₆数字密度计的高精度、宽温区MEMS压阻式压力传感器。通过在MEMS压敏芯片附近集成专用温度传感器，有效解决了测温偏差制约补偿精度的难题，实现了宽温区下的高精度压力测量。相关研究成果以“High Precision MEMS Piezoresistive Pressure Sensor for SF₆ Digital Density Meter in Power Grid System”为题，在IEEE NEMS 2026国际会议上发表。
这项研究工作提出了一种“压敏芯片+集成温度传感器+ASIC信号处理芯片”的共封装方案，其创新之处在于：通过在压敏芯片附近集成专用温度传感器，直接采集压敏区域的真实温度，为温度补偿提供精准的温度基准。器件结构设计基于绝缘体上硅（SOI）衬底，采用30 μm厚的硅杯薄膜结构，并在薄膜表面沿<110>晶向制作了四个扩散型压阻条，构成了高灵敏度的惠斯通电桥。研究人员通过有限元仿真软件，从工艺参数、结构尺寸、力学性能、动态特性等多维度对传感器进行了优化设计。静态力学仿真结果显示，在3.2 MPa载荷下，芯片最大剪应力远低于单晶硅7 GPa的屈服极限，最大形变量仅0.9 μm，不足薄膜厚度的10%，结构静态可靠性充足；压阻条位置的平均应力为72 MPa，薄膜形变引发的电阻变化率为9.9%，对应应力灵敏度为3.1%/MPa，压力灵敏度可达31 mV/V/MPa。模态与谐响应仿真结果表明，芯片一阶谐振频率为1.50 MHz，前六阶谐振频率均处于数兆赫兹量级，远高于压力传感器日常工作频率（通常不高于1 kHz），可有效避免共振失效，动态稳定性优异。
图1 压敏芯片结构示意图
图2 压敏芯片的应力分布（左）；压敏芯片的形变（右）
图3 压敏芯片的一阶振型（左）和二阶振型（右）
该传感器的制备主要包括压敏芯片与集成温度芯片制造以及封装键合。图4为制备完成的压敏芯片单元实物，集成了压敏芯片与温度传感器；图5分别展示了芯片固晶、引线键合与气密封装的工艺实物。
图4 制备完成的压敏芯片单元
图5 芯片固晶、引线键合与气密封装
研究人员采用高精度测试平台对压力传感器性能进行了全面表征。测试结果表明，在-40 ~ 125°C全温度范围内，以及0 ~ 1.6 MPa全压力范围内，该传感器的最大精度误差仅为±0.26% FS，优于国内外同类商用产品。该传感器性能提升的主要原因在于集成式温度传感器的设计，传统方案中ASIC与压力芯片的温差可达2 ~ 5℃，而该方案将测温偏差控制在0.3℃以内，使得补偿算法能够精准修正温度漂移误差，将传感器精度从行业常规的±1% FS提升至±0.3% FS以内，可精准捕捉SF₆气体微泄漏引发的微小压力变化。
表1 不同温度下的压力传感器精度测试结果
表2 与同类商用压力传感器的性能对比
综上所述，这项研究成功开发出一种面向电网系统SF₆数字密度计的高精度MEMS压阻式压力传感器。通过“压敏芯片+集成温度传感器”共封装方案，有效解决了传统的ASIC温度测量偏差导致的精度问题。该传感器的压力响应线性度、温度一致性与封装气密性均满足电网应用要求，可直接适配SF₆数字密度计，为电网SF₆设备泄漏监测提供高精度数据支撑，对保障电网安全运行具有重要工程价值。研究团队表示，未来将重点开展晶圆级集成工艺开发与长期稳定性优化，并进一步拓展其在新能源、工业控制等领域的应用。
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《安费诺NovaSensor压力传感器芯片P111产品分析》
《安费诺NovaSensor压力传感器芯片P883产品分析》
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