用于高灵敏度硅基MEMS谐振式差压传感器的晶圆级薄膜真空封装工艺
2026-08-15 16:12:43 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
针对传统晶圆级键合封装中的瓶颈问题——例如尺寸冗余大、灵敏度提升受限等，研究人员提出了一种基于薄膜沉积的晶圆级真空封装工艺。该工艺在SOI晶圆的器件层上制备单晶硅谐振器，并利用低压化学气相沉积技术制备多晶硅和低应力氮化硅薄膜，从而实现微腔构建与真空密封。
MEMS差压传感器因其小型化、低成本和易于集成的优势，已被广泛应用于石油化工、工业控制、航空航天等关键领域。随着高超音速飞行器等高端应用的出现，系统对压力传感器灵敏度和测量精度的要求日益严苛。在现有的检测机制（包括压阻式、电容式和谐振式）中，谐振式差压传感器表现尤为突出。与传统的模拟电压输出传感器不同，谐振式传感器通过检测谐振频率变化来表征压力特性，具有准数字信号输出、抗干扰能力强及稳定性优异等固有优势，已成为高精度压力测量领域的研究热点。
据麦姆斯咨询报道，近日，针对传统晶圆级键合封装中的瓶颈问题——例如尺寸冗余大、灵敏度提升受限等，中国科学院空天信息创新研究院陈德勇研究员和王军波研究员等人提出了一种基于薄膜沉积的晶圆级真空封装工艺。该工艺在绝缘体上硅（SOI）晶圆的器件层上制备单晶硅谐振器，并利用低压化学气相沉积（LPCVD）技术制备多晶硅和低应力氮化硅薄膜，从而实现微腔构建与真空密封。结合紧凑的局部封装设计，该方法将谐振器定位在离压敏膜片的中性面更远的位置，显著提升差压灵敏度。相关研究成果以“A Wafer-Level Thin-Film Vacuum Encapsulation Process for High-Sensitivity Silicon MEMS Resonant Differential Pressure Sensors”为题，发表于IEEE NEMS 2026国际会议。
下图展示了为验证真空封装方案的可行性而设计的谐振式差压传感器结构。该传感器采用集成梁-膜结构，由SOI晶圆和薄膜封装层组成。谐振器和电极被限定在SOI器件层上，而处理层被蚀刻以形成压敏膜片。通过薄膜封装层完成真空密封。当压差（P₁-P₂）作用在膜片上时，膜片发生变形，将应力传递到谐振器并改变其谐振频率。压差的大小通过检测频率变化来表征。谐振器放置在膜片的压缩和拉伸应力区域，以实现差分输出，有效提高灵敏度。
MEMS谐振式差压传感器示意图
与传统的晶圆级键合封装相比，基于所提出的薄膜沉积工艺的压力传感器结构具有显著优势。由于沉积的多晶硅和SiNₓ覆盖层的总厚度仅为几微米（远小于SOI衬底厚度），它们对敏感膜片整体刚度的贡献可以忽略不计。因此，复合结构的中性面仍保持在衬底膜片的几何中心附近，从而使表面谐振器和中性面之间的距离最大化。由此，谐振梁实现了更高的应力集中系数。这种紧凑的局部薄膜封装设计不仅通过最大限度地减少异质材料来降低热膨胀失配的影响，而且将谐振器定位在尽可能远离等效中性面的位置，从而最大限度地提高应力响应和灵敏度。
两种结构原理对比示意图：（a）传统的键合封装结构；（b）本文所提出的局部封装结构。
下图展示了该传感器差压特性的有限元方法（FEM）仿真结果。结果显示，在差压作用下，双谐振器的频率呈反向偏移，其灵敏度分别为589.15 Hz/kPa和-591.34 Hz/kPa。差分输出灵敏度达到1180.49 Hz/kPa，表明具有较高的灵敏度。
MEMS谐振式差压传感器差压特性的仿真结果
下面两幅图分别展示了本文设计的真空封装工艺流程和制造结果。该传感器芯片的尺寸为5 mm × 5 mm，并且根据谐振器区域的横截面图，可以看出，谐振器密封良好。
真空封装的制造工艺流程
制造结果
为了验证真空封装效果，进行开环测试以获得品质因数。结果表明，品质因数超过13000，表明密封腔内的真空度良好。当品质因数达到13000时，相应的压力约为4 Pa。基于该数据，密封腔的内部真空估计为4 Pa。这些结果证实了真空封装工艺的有效性。
总而言之，研究人员提出并验证了一种基于表面微加工的晶圆级薄膜真空封装方案，解决了高灵敏度MEMS谐振式差压传感器的开发瓶颈问题。该工艺通过正硅酸四乙酯（TEOS）和多晶硅的低压化学气相沉积来构建真空腔，然后通过优化的低应力SiNₓ沉积进行真空密封，使微米级释放孔密实填充，以实现紧凑且可大规模生产的真空封装。实验结果表明，所制造的谐振器成功地抑制了空气阻尼，品质因数超过13000，密封腔内部压力约4 Pa，充分验证了该方法的可行性和有效性。仿真结果也证实了该工艺流程在实现高灵敏度结构方面的优势。本研究为高灵敏度谐振式差压传感器的开发提供了新路径。
论文信息：DOI: 10.1109/NEMS69704.2026.11633859
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