新型压力-温度-流量检测多功能复合MEMS传感器
2026-08-23 11:35:48 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
上海大学和中国科学院上海微系统与信息技术研究所等机构的联合研究团队开发了一种正面微加工技术，可在标准（111）硅晶圆的正面同时制备压力、温度和流量传感器，从而实现集成压力与温度检测功能的MEMS气体流量传感器的低成本批量微加工。
MEMS技术已广泛应用于微量气体流量传感领域，尤其适用于环境监测、医疗器械、工业过程控制等对高精度、低功耗和小型化有要求的场景。然而，微量气体流量测量过程中温度和压力的变化会带来显著误差。传统的解决方案通常采用分立式外置压力和流量传感器进行同步测量。检测点与流量敏感单元之间的物理分离会导致响应延迟，也限制了检测精度的进一步提升。因此，将流量、压力和温度传感单元单片集成在同一芯片上，从而实现多参数实时监测与交叉补偿，已成为提升微量气体流量测量系统性能的关键途径。
据麦姆斯咨询介绍，为解决上述不足，上海大学和中国科学院上海微系统与信息技术研究所等机构的联合研究团队开发了一种正面微加工技术，可在标准（111）硅晶圆的正面同时制备压力、温度和流量传感器，从而实现集成压力与温度检测功能的MEMS气体流量传感器的低成本批量微加工。该传感器在生物医学监测、工业过程控制等领域具有广阔的应用前景。相关研究成果已经以“Front-Side Microfabricated Tiny-Size Thermopile-Based Gas Flow Sensor With Integrated Pressure–Temperature Sensing on a Non-SOI (111) Silicon Wafer”为题，发表于IEEE Transactions on Electron Devices期刊。
传感器设计及制造
图1 压力-温度-流量检测多功能复合MEMS传感器的三维示意图
该传感器由气体质量流量传感单元、压力传感单元和温度传感单元组成。在悬空的SiO₂–SiN绝缘膜下方，设有20对高塞贝克系数的单晶硅热电偶臂。其热结和冷结通过SiO₂–SiN绝缘膜上的通孔与铂（Pt）导线相连，构成了高灵敏度的p⁺Si/Pt热电堆。两个此类热电堆对称布置在p⁺Si加热器两侧，构成流量传感单元。
绝对压力传感单元采用单晶硅六边形膜片作为压敏膜。四个压敏电阻被优化布置在膜片上的最大应力位置，以组成一个全敏感惠斯通电桥。通过对膜片下方的硅进行侧向刻蚀，在硅基底中嵌入了压力参考腔。此外，在芯片外围设有一个具有高电阻温度系数（TCR）且在宽温度范围内具备优异线性度的Pt温度传感单元，用于监测环境温度。
该多功能复合传感器的一个关键挑战和独特之处在于，如何利用正面微加工技术，在普通（111）硅晶圆的正面实现多厚度微结构的单片集成，这些微结构包括压力传感膜片、单晶硅热电偶臂、悬浮绝缘膜、压力参考腔以及隔离腔。具体工艺流程如图2所示。
图2 多功能复合传感器的制备工艺流程
图3(a)展示了所制备的多功能复合传感器的扫描电子显微镜（SEM）图像，该传感器芯片的整体尺寸仅为0.9 mm × 0.9 mm。为暴露底层微结构，压力传感膜层与SiO₂–SiN绝缘膜层被刻意断裂，图3(b)中呈现了压力参考腔和绝缘腔。图3(c)为放大的正面视图，详细展示了中心p⁺Si微加热器及相邻的热电堆，而图3(d)则为悬空的SiO₂–SiN膜层对应的背面视图，清晰呈现了释放后的单晶硅热电偶臂与p⁺Si加热器。
图3 多功能复合传感器的SEM图像
传感器的性能表征
为评估该多功能复合传感器的基本性能，将制备的传感器芯片采用环氧胶粘剂安装在印刷电路板（PCB）上，并封装于树脂基3D打印流道中。流道截面尺寸为5 mm x 3.5 mm。该封装方式主要用于实验性能测试，旨在便于传感器性能评估，并不代表其面向实际应用的最终封装形式。
如图4(a)所示，Pt基温度传感单元在−30～60 °C的温度范围内表现出高度线性的响应特性，其TCR为0.0023/°C。图4(b)给出了压力传感单元在700 kPa测量范围内其输出电压随施加压力的变化关系。在 3.3 V供电电压下，灵敏度达到0.10 mV/kPa。采用最佳拟合直线法（BFSL）计算得到的非线性度小于0.06% FS。在−40～120 °C的温度范围内，对压力传感单元的零点温度系数（TCO）和灵敏度温度系数（TCS）进行了表征，其数值分别为0.07% FS/°C和−0.17% FS/°C。温度漂移可通过数字校正算法进行实时补偿，该算法利用芯片集成的温度传感单元以及预先存储的标定系数实现温度补偿。此外，测试观察到的温度迟滞约为0.01% FS，明显处于压力传感单元的总误差预算范围内，因此可以忽略不计。
图4 多功能复合传感器的性能测试结果
对于流量传感单元的测试显示，Pt基温度传感单元与流量传感单元中的p⁺Si加热器共同构成恒温差（CTD）电路，确保p⁺Si加热器工作于恒温差模式。图4(c)给出了量程为200 sccm的流量传感单元在0～200 sccm氮气流量范围内的输出电压与氮气流量之间的关系。在未经任何放大的情况下，该流量传感单元实现了0.56 mV/sccm/W的高归一化灵敏度，相当于591 mV/(m·s⁻¹)/W，这一数值是已有报道的基于热电堆的气体流量传感器的数倍。此外，在恒定气体流量100 sccm和加热器功率3.5 mW的条件下，对流量传感单元的动态响应特性进行了测试。如图4(d)所示，输出电压达到最终稳态100%所需的上升时间约为3.8 ms。
论文链接：https://doi.org/10.1109/TED.2026.3662661
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