高性能MEMS电容式压力传感器：利用SiMiT工艺及结隔离环解决残余应力和漏电流问题
2026-08-22 16:57:09 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

研究人员组成的团队提出了一种基于硅迁移技术（SiMiT）制备的单晶硅膜片与结隔离环相集成的MEMS电容式压力传感器。SiMiT工艺无需牺牲层即可形成真空腔体，而隔离结构能够有效降低漏电流。

基于微机电系统（MEMS）技术的电容式压力传感器已被广泛应用于汽车、手机、工业、生物医疗等领域。然而，这种传感器往往面临制造工艺复杂、工艺引入的残余应力以及寄生漏电流等局限。据麦姆斯咨询报道，近期，东莞理工学院、西北工业大学、电子科技大学等机构的研究人员组成的团队提出了一种基于硅迁移技术（SiMiT）制备的单晶硅膜片与结隔离环相集成的MEMS电容式压力传感器。SiMiT工艺无需牺牲层即可形成真空腔体，而隔离结构能够有效降低漏电流。

实验结果表明，研发的MEMS电容式压力传感器具有4.35 fF/kPa的可预测本征灵敏度、可忽略的漏电流（±1 V下小于2 nA）以及较低的测量不确定度（±1.6% FS）。综合有限元法（FEM）仿真从定量上验证了该单片式集成结构具有接近于零的残余应力和优异的热稳定性。通过避免应力诱导的预变形，该压力传感器能够获得更好的制造鲁棒性，从而实现高保真的压力测量。上述研究成果以“A MEMS Capacitive Pressure Sensor With SiMiT Diaphragm and Notched Junction Isolation”为题发表于IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement期刊。

MEMS电容式压力传感器设计与制备

如图1a所示，该MEMS电容式压力传感器采用单片式集成结构，其具有一片悬置于气密封装真空腔体上方的可变形单晶硅膜片。该真空腔体作为压力参考腔，用于实现绝对压力检测。单晶硅膜片与其下方的n型衬底共同构成平行板电容器的两个电极。

MEMS电容式压力传感器结构、电气等效模型及制备工艺示意图

图1 MEMS电容式压力传感器结构、电气等效模型及制备工艺示意图

本研究的一项核心结构创新是集成了带槽口的结隔离环。该隔离环限定了膜片的有效区域，并在膜片与衬底之间提供电气隔离。如图1b所示，该传感器作为一种压力响应型感测电容器工作，而隔离结构则基于两个反向偏置的p-n结实现。背靠背连接的二极管能够有效抑制电极间的漏电流。此外，寄生结电容仅表现为与压力无关的静态偏移量，不会对器件的动态灵敏度造成影响。该设计以结隔离结构取代了传统的介电氧化层隔离方案，从而减小工艺引入的应力，并进一步提高器件在压力作用下的结构稳定性。

整个压力传感器结构设计与标准微加工工艺兼容，可以实现与CMOS读出电子电路的无缝集成，从而提升系统级性能。所提出压力传感器的MEMS制备工艺如图1c所示。

MEMS电容式压力传感器表征

在完成SiMiT工艺之后，采用三维激光共聚焦显微镜对三个相邻器件的表面形貌以及沿横向扫描路径的深度分布进行表征，如图2a所示。

利用SiMiT工艺制备后的器件表面形貌、密封腔体三维形貌与膜片的挠曲变形表征/

图2 利用SiMiT工艺制备后的器件表面形貌、密封腔体三维形貌与膜片的挠曲变形表征

图2b展示了密封腔体的三维形貌重构结果。在膜片边缘附近观察到的突变台阶结构是SiMiT工艺固有的工艺伴生特征。在1 atm（101.325 kPa）压力差驱动下，膜片中心产生0.17 μm的挠曲变形，并呈现抛物线形变轮廓，如图2c所示，这对于确保电容响应的线性度至关重要。此外，密封腔体的形貌进一步证实了器件具有高质量的气密封装特性，这是维持MEMS压力传感器长期稳定性的关键因素。

图3a展示了形成“带槽口的结隔离环”后膜片的俯视显微图像。由于膜片与衬底之间发生光学干涉，膜片的挠曲变形呈现为牛顿环图案。均匀的环间距表明膜片内部具有对称的应力分布。

MEMS电容式压力传感器的SEM图像

图3 MEMS电容式压力传感器的SEM图像

图3b和3c所示的器件截面SEM图像表明，膜片具有极小的残余应力和可忽略的应力梯度，从而形成极其平滑、平坦的表面。这些SEM图像进一步证实了该制备工艺具有较高的工艺质量和极低的残余应力。

随后，研究人员对器件的电学特性进行了测试。在将MEMS电容式压力传感器置于真空测试腔体之前，首先将其安装在印刷电路板（PCB）上，如图4a所示。采用热板将测试温度维持在25 °C。使用Keysight E4980A阻抗分析仪监测传感器在不同压力条件下的阻抗数据，如图4b所示。该阻抗分析仪具有20 Hz～1 MHz的宽频率扫描范围，并具有较高的测量精度，其基本阻抗测量准确度可达±0.05%。

MEMS电容式压力传感器测试设置及电学特性测试结果

图4 MEMS电容式压力传感器测试设置及电学特性测试结果

图4c展示了器件的电学特性。结果表明，在±1 V的工作电压范围内，漏电流几乎可以忽略不计。这一特性表明所采用的隔离结构具有良好的隔离效果，从而有助于提高MEMS电容式压力传感器的测量精度。

图4d分析了MEMS电容式压力传感器的响应特性，反映了其在不同压力条件下的性能。采用BST2000T-3精密压力控制器对器件进行了35~100 kPa范围内的标定。实验结果表明，该传感器具有优异的线性响应特性，灵敏度达到4.35 fF/kPa（R² > 0.998）。此外，根据GUM规范进行综合分析，得到传感器的扩展测量不确定度为±1.6% FS（置信水平为95%）。这种可预测的本征灵敏度主要得益于膜片的接近于零的残余应力以及有效的结隔离结构。此外，良好的线性度进一步表明，该传感器在不同压力水平下均能够保持稳定且一致的测量性能。

最后，研究人员利用多物理场有限元仿真对器件的力学行为和热稳定性进行了研究评估，结果如图5所示。仿真结果验证了该器件具有接近于零的残余应力和优异的热稳定性。

MEMS电容式压力传感器的力学行为和热稳定性有限元仿真结果