高精度MEMS谐振式压力传感器研究：硅膜片上的多种谐振器对比分析
2026-08-23 15:07:14 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

本文对EMS谐振式压力传感器的三种谐振器设计进行了对比有限元分析：单梁式（SR）、双端音叉式（DETF）和三端音叉式（TETF），均集成于相同的方形硅膜片上。

开发具有更高鲁棒性的功能性传感器模块是现代电子设备设计人员面临的重点任务之一。MEMS谐振式压力传感器属于极具前景的精密换能器件之一，因其采用频率输出方式，可从根本上避免电子漂移和模拟前端电路退化的影响。与电容式或压阻式传感结构不同，谐振式传感器通过机械谐振器固有频率的变化来感知所施加的负载，从而具备更优异的长期稳定性，并与数字信号处理直接兼容。

据麦姆斯咨询报道，近期，俄罗斯莫斯科国立电子技术学院对三种谐振器设计进行了对比有限元分析：单梁式（SR）、双端音叉式（DETF）和三端音叉式（TETF），均集成于相同的方形硅膜片上。考虑了传感元件上的两种负载：100-1000 kPa范围内的静压力，以及-40 - +85 °C的均匀温度变化。基于在COMSOL Multiphysics软件环境中进行的静态分析和模态分析，确定了传感元件对压力变化的变形、机械应力、频率灵敏度以及频率温度系数。结果表明，在相同的边界条件下，三端音叉式设计在灵敏度、线性度和热稳定性方面达到最佳平衡。这些结果为高精度MEMS谐振式压力传感器研发阶段的传感元件设计提供了依据。相关研究成果以“Study of Sensing Elements with Various Resonator Designs on a Square Membrane for High-Precision MEMS Pressure Sensors”为题，发表于2026年微纳电子学青年研究人员国际会议。

压力-频率转换的谐振原理依赖于膜片变形引起机械应力，进而导致谐振器固有频率发生偏移。由于测量的物理量是频率而不是模拟电信号，这种方法对传感器运行的寄生电影响具有很高的抗扰性，特别是对电子元件的零点漂移和退化。研究人员通过比较单梁式、双端音叉式和三端音叉式谐振器，使其能够隔离谐振器拓扑的贡献，即在器件制造前决定结构层布局的设计因素。

MEMS谐振式压力传感器的传感元件示意图：（a）总体布局；（b）集成在硅膜片上的双端音叉式谐振器。

三种谐振器设计的示意图：（a）单梁式谐振器；（b）双端音叉式谐振器；（c）三端音叉式谐振器。

为了确保仿真结果的可比性，传感元件采用固定的膜片平台，并使用相同的边界条件进行比较。作为传感元件的主要结构部件，研究人员使用了尺寸为5 mm × 5 mm、厚度约为300 μm的方形硅膜片，形成在SOI晶圆的器件层中。考虑了三种谐振器结构：单梁式谐振器，位于应力梯度最大的膜片区域；双端音叉谐振器，实现两个梁中张力/压缩的差分感知；三端音叉谐振器，由于第三根纵向梁通过公共横梁连接，提供了更高的对称性和更均匀的应力分布。三种谐振器具有相同的厚度、在膜上的位置、锚固结构，从而排除了除谐振器自身结构之外的任何其它因素的影响。

在相同的材料特性、边界条件以及两种加载方式（静压力和均匀温度变化）下，使用COMSOL Multiphysics软件进行了建模。所得结果表明：

（1）谐振器的对称性是决定膜片应力传递效率和频率响应线性的关键因素。

（2）传感元件中的三端音叉式谐振器提供了最高的压力灵敏度，同时保持了传输特性的高线性度。

（3）由于热弹性效应得到更充分的内部补偿，三端音叉式谐振器表现出最小的谐振频率热漂移。

（4）根据综合评估标准，在不改变基本传感元件设计的前提下，三端音叉式谐振器优于其它结构，这使得谐振器架构的选择成为光掩模设计之前的决定性步骤。

因此，三端音叉式谐振器结构是高精度MEMS谐振式压力传感器传感元件制造和实验验证的最优候选方案。

在施加1000 kPa压力下，方形膜片变形（a）和方形膜片机械应力分布（b）的仿真结果。