量程可调、高耐压MEMS压力传感器温度特性研究
2026-08-01 08:49:51 来源：麦姆斯咨询评论：0 点击：

这项研究工作主要聚焦于量程可调（10-60 kPa）MEMS差压传感器芯片微组装几何结构的设计，以及预处理操作对温度特性误差的影响。该压力传感器芯片采用具有四个压阻元件的惠斯通电桥电路。

面向各种工业应用的压阻式MEMS压力传感器厂商，持续致力于设计创新、材料与技术改进，以及与各类应用平台集成的可能性分析。实施先进的解决方案需要经过数年的验证，以确保性能保持稳定或得到提升，并且需在多个晶圆批次中进行多次迭代。影响传感器发展的关键因素不仅在于批次间特性的可重复性，还包括单个批次内各项参数随时间的稳定性，包括温度特性随时间变化的误差。

据麦姆斯咨询报道，近期，俄罗斯杜霍夫全俄自动化科学研究所（VNIIA）提出了一种新型微组装设计，适用于量程可调范围为10～60 kPa的MEMS差压传感器。该微组装设计的显著特点是为压力传感器芯片增设限位挡块，芯片灵敏度为0.61±0.15 mV/V/kPa。所开发的压力传感器耐压能力高达1.5 MPa。该微组装的基座几何结构有效降低了压力传感器芯片所有机械连接处残余机械应力（RMS）的影响，这种应力通常在热循环和压力循环过程中产生。尽管为了提高传感器的过载能力必须设置顶部机械限位挡块（这构成了额外的RMS来源），但经实验证明，在-65 °C至+85 °C的宽温度范围内，该传感器仍可实现零位温度迟滞（THZ）误差小于0.25%/FS。相关研究成果以“Temperature characteristics of MEMS pressure sensor with high proof pressure for adjustable ranges up to 10…60 kPa”为题，发表在Sensors and Actuators A: Physical期刊上。

这项研究工作主要聚焦于量程可调（10-60 kPa）MEMS差压传感器芯片微组装几何结构的设计，以及预处理操作对温度特性误差的影响。该压力传感器芯片采用具有四个压阻元件的惠斯通电桥电路。压力传感器芯片由磷掺杂单晶硅（n型）晶圆制造而成，电阻率为4.5 Ω·cm，晶向为（100），衬底厚度为410 μm。

芯片照片：a）压力传感器敏感单元正面；b）压力传感器敏感单元背面；c）温度传感器敏感单元。

微组装几何结构的选择是基于多种解决方案的综合考量，旨在减少微组装与其内部压力传感器芯片之间各类连接方式对温度特性的影响。本研究采用玻璃浆料连接基座、芯片和顶部机械限位挡块，因为选择这种连接方式是基于现有经验以及先前在生产中已证实的优势（这与压力传感器芯片中压阻效应的应用原理具有相似性）。该微组装设计的一个显著特点是在灵敏度为0.61±0.15 mV/V/kPa的芯片两侧均设置有机械限位挡块，当压力从芯片任意一侧施加时，该结构的耐压能力均可达到1.5 MPa。

微组装结构设计示意图：a）侧视图；b）仰视图。

该微组装设计采用复杂轮廓的基座结构，从而消除了封装及所有可能的机械连接对芯片产生的显著残余机械应力影响。经温度循环和压力循环后，该微组装结构的残余机械应力得以降低，温度特性参数随之改善，特别是对于零位温度迟滞（THZ）。零位温度系数（TCZ）也会略有下降。零位温度漂移（THS）和灵敏度温度系数（TCS）几乎无明显变化。

微组装结构基座照片：a）仰视图；b）斜视图；c）侧视图，基座与封装连接区域有两种连接方式。

MEMS差压传感器照片：a）微组装结构（斜视图）；b）微组装结构（侧视图）；c）压力传感器最终视图（未安装封装盖板）。

研究表明，尽管存在由顶部机械限位挡块（通过两层玻璃浆料连接至压力传感器芯片正面）引入的额外应力源，但是该传感器仍能实现优异的温度特性：在-65至+85°C温度范围内，零位温度迟滞（THZ）可达0.25%/FS；在-30至+85°C温度范围内，零位温度系数（TCZ）可达0.25%/10°C/FS。该设计无需专用集成电路（ASIC）即可达到理想的温度特性指标，并且在最小可调量程（10 kPa）下能承受150倍的耐受压力，这使其在市售同类MEMS压力传感器产品中极具竞争力。

可调差压量程为10-60 kPa的压力传感器温度特性参数表