CMOS-MEMS单片集成传感系统：基于微悬臂梁阵列检测流量和温度
2026-03-29 20:57:45 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
深圳大学许威副教授团队提出一种CMOS-MEMS单片集成传感系统（SoC），将电容式微悬臂梁阵列与片上信号处理电路集成，从而构建了一种可同时检测流量、温度等物理量的多参数传感平台。
微悬臂梁传感器凭借对质量负载、表面应力以及温度变化等外界刺激的高灵敏响应，在环境监测、生物医学诊断和精密测量等领域被广泛应用。随着MEMS制造技术的发展，微悬臂梁阵列能够在单芯片上实现高密度集成，从而在缩小器件尺寸的同时，提高测量精度和信号质量。针对静态模式悬臂梁偏转检测，目前已发展出多种传感机制，包括光学式、压阻式、压电式和电容式等方法。为了将这些传感方法进一步应用于紧凑型、多功能系统，更高水平的集成化成为关键。单片式CMOS-MEMS技术为解决传统分立式传感器集成度低、体积大的问题提供了有效途径，可在同一芯片上集成微悬臂梁传感结构与CMOS读出电路，构建出紧凑、高效且稳定的传感系统。
据麦姆斯咨询报道，近期，深圳大学许威副教授团队提出一种CMOS-MEMS单片集成传感系统（SoC），将电容式微悬臂梁阵列与片上信号处理电路集成，从而构建了一种可同时检测流量、温度等物理量的多参数传感平台。该片上系统采用标准0.18 μm CMOS工艺制备，并结合自研的CMOS后处理工艺，展现出优异的灵敏度和分辨率，适用于环境监测、生物医学检测等应用场景。相关研究成果以“A Monolithic CMOS-MEMS SoC with 1.8 mm/s and 2 mK Resolution for Flow and Temperature Sensing via a Microcantilever Array”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
图1 基于微悬臂梁阵列的CMOS-MEMS单片集成传感系统
在这项工作中，研究人员构建了一种基于微悬臂梁阵列的高灵敏度CMOS-MEMS单片集成传感系统。该系统将电容式MEMS传感器与基于频率的读出电路集成在同一芯片上，读出电路包含频率生成、差分混频与锁相环（PLL）放大模块。传感器设计以电-热-机械多场耦合仿真为指导，芯片采用0.18 µm 1P6M CMOS工艺及自主研发的CMOS后处理工艺制备。
图2 CMOS-MEMS单片集成传感系统的读出电路架构与仿真结果
图3 CMOS-MEMS单片集成传感系统的表面微加工工艺
图4 CMOS-MEMS单片集成传感系统的芯片及微悬臂梁阵列图示
研究人员通过流量、温度与光照等实验，验证了该CMOS-MEMS单片集成传感系统的综合性能。在温度检测模式下，该系统在20 ~ 100℃范围内呈现良好的线性输出关系，温度灵敏度达到25.1 kHz/°C，满量程非线性度低于0.3%。在流量检测模式下，频率输出与流速在最高130 m/s的范围内呈二次函数关系，线性化灵敏度为133.5 Hz/(m/s)²，在130 m/s流速下最大灵敏度可达32.76 kHz/(m/s)。噪声分析表明，该系统的最小艾伦方差为14.8 Hz，对应可检测的最小流速为14.8 mm/s；在低流速与高流速区间内，分辨率分别为29.6 mm/s与1.8 mm/s。同时，系统的温度检测分辨率达到2.3 mK，进一步的光照实验验证了该系统对微弱温度变化的感知能力，展现出极高的检测灵敏度。
图5 温度与流量检测实验
图6 噪声分析与光照实验
总体而言，这项研究工作提出的CMOS-MEMS单片集成传感系统兼具高性能、多参数检测与高集成度度优势，在环境与生物医学领域的微型化、高精度检测中极具应用潜力。研究人员表示，得益于高灵敏度微悬臂梁的结构设计，该系统通过聚二甲基硅氧烷（PDMS）封装后，有望进一步应用于脉搏检测，为可穿戴设备、即时检测设备等生物医学应用提供可行的技术方案；未来的研究方向将重点探索解耦策略，包括引入片上参考温度检测、基于标定的补偿方法以及机械屏蔽等，以抑制温度-流量串扰，从而提升该系统在特定应用场景中的检测准确性与稳定性。
论文信息：https://doi.org/10.1038/s41378-026-01220-5
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