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基于硅-硅键合的MEMS谐振式差压传感器：高灵敏度、高稳定性
2026-08-15 16:19:11 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

中国科学院空天信息创新研究院设计了一种基于微帽（micro-cap）结构敏感元件的高差压灵敏度MEMS谐振式差压传感器。为降低残余应力并避免引入异质材料，将两片规格不同的SOI晶圆通过Si-Si键合形成敏感结构，随后与玻璃晶圆键合，实现谐振器的真空封装。

小量程MEMS差压传感器在医疗护理、工业生产和环境监测等众多领域发挥着重要作用，并具有广泛的应用需求。然而，现有小量程MEMS差压传感器的测量精度仍难以完全满足实际应用需求。因此，开发高精度小量程MEMS差压传感器具有重要意义。

据麦姆斯咨询报道，近期，中国科学院空天信息创新研究院的研究团队设计了一种基于微帽（micro-cap）结构敏感元件的高差压灵敏度MEMS谐振式差压传感器。为降低残余应力并避免引入异质材料，将两片规格不同的SOI晶圆通过Si-Si键合形成敏感结构，随后与玻璃晶圆键合，实现谐振器的真空封装。实验结果表明，该MEMS差压传感器的品质因数（Q值）超过24000，验证了所采用真空封装方案的有效性。在−10 kPa至10 kPa的差压范围、−55 °C至85 °C的温度范围内，该MEMS差压传感器的差压灵敏度达到738 Hz/kPa，拟合精度达到0.03%满量程（FS），误差小于6 Pa，验证了其高差压灵敏度与高精度性能。此外，在连续7天的测试期间，该MEMS差压传感器的误差始终稳定在0.5 Pa以内，表明其具有良好的稳定性。上述研究成果以“A High Sensitivity High Stability Resonant Differential Pressure Sensor based on Si-Si Bonding”为题，发表于IEEE NEMS 2026国际会议。

器件设计与仿真

本文所提出的MEMS谐振式差压传感器的整体结构如图1a所示。该传感器由两片不同规格的SOI晶圆组成，两片SOI晶圆与带有吸气剂腔和气道的玻璃晶圆进行键合，形成真空封装，随后通过与玻璃基座组装完成整个器件的制备。其中，用于构成谐振器的SOI晶圆称为SOI-Device，用于构成micro-cap的SOI晶圆称为SOI-Micro Cap。该谐振器采用双端固支梁结构，两根微梁分别分布于敏感膜片的中心区域和边缘区域，形成中心梁和侧梁，如图1b所示。压力变化会改变作用于谐振器上的应力，进而引起谐振频率的变化。micro-cap结构的敏感膜片两侧分别受到两端压力的作用，由此形成差压，如图1c所示。该传感器通过与可伐合金（Kovar）基座和封装盖进行组装，实现差压测量，如图1d所示。

MEMS谐振式差压传感器结构示意图

图1 MEMS谐振式差压传感器结构示意图

为提高压力传感器的差压灵敏度，本研究采用了具有micro-cap结构的敏感膜片。该结构与平（flat）膜片结构的对比如图2a所示。与平膜片结构相比，采用micro-cap膜片的器件去除了谐振器及微盖处除必要真空密封区域之外的冗余部分。因此，micro-cap膜片的厚度得以减小；同时，谐振器与膜片结构的中性面距离增大，当膜片发生变形时，谐振器可承受更大的应力。

研究人员采用Workbench软件对两种敏感结构的应力特性进行了有限元仿真，仿真结果对比如图2b所示。结果表明，micro-cap膜片结构中中心梁谐振器和侧梁谐振器所承受的应力分别为平膜片结构的5.5倍和3.8倍，验证了micro-cap敏感结构的有效性。

研究人员进一步对敏感膜片和谐振器的关键尺寸进行了仿真优化，结果如图2c和图2d所示。结果表明，该MEMS谐振式差压传感器可实现738 Hz/kPa的差压灵敏度和0.002 Hz/kPa的静压灵敏度。

两种敏感结构示意图及其仿真结果

图2 两种敏感结构示意图及其仿真结果

器件制备与表征

MEMS谐振式差压传感器的制备工艺流程如图3a所示。首先，对两片SOI晶圆分别进行深硅刻蚀，以形成谐振器和micro-cap结构。完成谐振器释放后，进行Si-Si键合。随后，通过进一步刻蚀制备micro-cap、敏感膜片以及电极引线孔。最后，与含有吸气剂的玻璃晶圆进行阳极键合，实现真空封装。制备完成的晶圆及组装后的差压传感器如图3b所示。

MEMS谐振式差压传感器制备工艺示意图与实物图

图3 MEMS谐振式差压传感器制备工艺示意图与实物图

研究人员对所制备的MEMS谐振式差压传感器进行了开环测试，采用网络分析仪获取谐振器的幅频特性曲线，如图4a所示。测试结果表明，谐振器的Q值达到24962，验证了谐振腔的高真空特性。

接着，研究人员对该MEMS谐振式差压传感器进行了差压特性曲线测试。测试结果表明，该传感器的差压灵敏度达到738 Hz/kPa，如图4b所示，与仿真结果一致。随后对该传感器进行了标定测试，并采用多项式对测试数据进行拟合，拟合结果如图4c所示。结果表明，在该传感器的满量程范围内，测量误差小于6 Pa，整体精度优于0.03% FS。

最后，研究人员对该MEMS谐振式差压传感器进行了稳定性测试，连续7天的测试结果如图4d所示。结果表明，该传感器的差压测量误差小于0.5 Pa，验证了其良好的稳定性。

MEMS谐振式差压传感器的性能测试