中國(guó)電子元件行業(yè)協(xié)會(huì)
China Electronic Components Association
海洋科學(xué)、石油工業(yè)、井下鉆探及氣體傳輸?shù)阮I(lǐng)域?qū)Ω呔取⒏叻直媛实母邏簻y(cè)量的需求日益增長(zhǎng)，MEMS壓力傳感器有望在這些領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。在目前的研究中，壓阻式和電容式MEMS壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)改變膜片或空腔的尺寸或形狀，已被應(yīng)用于大量程的壓力測(cè)量。然而，這些MEMS高壓傳感器在整個(gè)壓力和溫度量程范圍內(nèi)普遍存在精度不足的問(wèn)題。作為替代方案，諧振式MEMS壓力傳感器則具有高精度和高分辨率的優(yōu)勢(shì)，為高壓測(cè)量開(kāi)辟了新的可能性。
近日，中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種基于體積壓縮敏感、微梁支撐雙諧振器結(jié)構(gòu)的硅基諧振式MEMS壓力傳感器。在工作過(guò)程中，當(dāng)MEMS壓力傳感器的體積在高壓下壓縮時(shí)，諧振器的頻率會(huì)發(fā)生偏移。一對(duì)微梁被用于支撐諧振器，并防止其在高壓下發(fā)生屈曲。同時(shí)，研究人員建立了微梁的理論模型，根據(jù)微梁幾何參數(shù)與諧振器壓力靈敏度之間的表達(dá)關(guān)系，對(duì)兩個(gè)諧振器的微梁進(jìn)行了差異化設(shè)計(jì)，使其具有不同的壓力靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)了有效的溫度自補(bǔ)償。
在20?°C條件下，所制備的MEMS壓力傳感器的靈敏度為：諧振器I為0.003?kHz/MPa（約為30?ppm/MPa），諧振器II為?0.118?kHz/MPa（約為?1311?ppm/MPa），與理論分析相符。最后，在?10?°C至50?°C溫度和0.1至70?MPa壓力范圍內(nèi)，結(jié)合溫度自補(bǔ)償功能的MEMS壓力傳感器的精度優(yōu)于0.01% FS，響應(yīng)時(shí)間優(yōu)于10?ms，分辨率可達(dá)100?Pa。上述研究成果以“A 70?MPa silicon resonant pressure microsensor with resonators supported by micro beams based on volume compressed sensing”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
圖1a展示了MEMS壓力傳感器的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，主要由兩部分組成：絕緣體上硅（SOI）晶圓和作為封蓋的硅晶圓。微梁支撐結(jié)構(gòu)與諧振器位于SOI的器件層中。具體而言，包括用于溫度補(bǔ)償、對(duì)壓力不敏感的諧振器I，以及對(duì)壓力敏感的諧振器II，此外還包括微梁支撐結(jié)構(gòu)以及驅(qū)動(dòng)和檢測(cè)電極。諧振器通過(guò)微梁支撐與錨連接（圖1b）。硅封蓋與SOI的器件層通過(guò)Au/Si共晶鍵合實(shí)現(xiàn)真空封裝。硅通孔刻蝕在襯底層以連接器件層上的焊盤，從而實(shí)現(xiàn)電氣連接。
圖1 MEMS壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和體積壓縮敏感原理
圖1c展示了體積壓縮敏感原理。諧振器通過(guò)微梁支撐與錨連接，不同于膜片式感知方式，這里的錨點(diǎn)同時(shí)與SOI的襯底層和硅封蓋進(jìn)行鍵合。諧振器與吸氣劑僅占據(jù)很小的腔體空間，腔體尺寸盡可能地被最小化，從而使整個(gè)MEMS壓力傳感器在承受壓力時(shí)能夠整體發(fā)生壓縮，而不會(huì)像膜片那樣產(chǎn)生局部變形，傳感器內(nèi)部形成均勻的應(yīng)力場(chǎng)，進(jìn)而引起兩個(gè)諧振器的頻率偏移。
圖2a展示了采用體硅工藝制造諧振式MEMS高壓傳感器的流程。如圖所示，步驟i至vi包括深反應(yīng)離子刻蝕（DRIE）、氧化層去除以及共晶鍵合。圖2b顯示了諧振器的結(jié)構(gòu)，圖2c則為諧振器的橫截面圖。此外，圖2d和2f分別展示了兩個(gè)諧振器所采用的不同微梁結(jié)構(gòu)。隨后，在步驟vii和viii中，通過(guò)氣態(tài)氫氟酸和Au/Cr掩模制備了作為應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)的圖案化BF33晶圓。該應(yīng)力隔離結(jié)構(gòu)通過(guò)晶圓陽(yáng)極鍵合方式與硅封蓋結(jié)合，最終形成的晶圓級(jí)諧振式MEMS壓力傳感器被切割成單個(gè)芯片，成品微型傳感器如圖2e所示，尺寸為3.3?mm?×?3.3?mm?×?1.6?mm。
圖2 MEMS高壓傳感器的制造工藝和圖像
為了驗(yàn)證所開(kāi)發(fā)的MEMS壓力傳感器的特性并提升其環(huán)境適應(yīng)性，將其采用油填充（oil-filled）封裝（圖3a）。隨后，研究人員利用測(cè)試系統(tǒng)（圖3b）對(duì)該傳感器進(jìn)行了測(cè)試。所使用的活塞式壓力計(jì)（BHY-160B）可提供高達(dá)70?MPa的液壓壓力，精度為0.005%。溫度試驗(yàn)箱（SU-262）用于提供不同的溫度環(huán)境條件。MEMS壓力傳感器將兩個(gè)諧振器的頻率以及壓力數(shù)據(jù)回傳至主控計(jì)算機(jī)。圖3c和3d分別展示了MEMS壓力傳感器在0.1?~?70?MPa壓力范圍和?10?~?50?°C溫度范圍內(nèi)的壓力靈敏度及溫度擾動(dòng)特性。在20?°C條件下，諧振器I的壓力靈敏度為0.003?kHz/MPa（約30 ppm/MPa），諧振器II的壓力靈敏度為?0.118?kHz/MPa（約?1311 ppm/MPa）。兩個(gè)諧振器的溫度擾動(dòng)分別為?1.270?Hz/°C（約?12.2 ppm/°C）和?0.943?Hz/°C（約?9.75 ppm/°C）。
圖3 MEMS壓力傳感器的油填充封裝與壓力靈敏度和溫度擾動(dòng)特性
MEMS壓力傳感器在不同溫度條件下（?10?°C、20?°C和50?°C）的測(cè)量誤差如圖4b所示，在這些溫度下其精度優(yōu)于0.01%FS。微型壓力傳感器的響應(yīng)特性如圖4c所示。在20?°C條件下，微型壓力傳感器的分辨率可達(dá)100?Pa（圖4d）。
圖4 MEMS壓力傳感器的精度、響應(yīng)時(shí)間和分辨率
綜上所述，這項(xiàng)研究設(shè)計(jì)、制造了一種基于體積壓縮敏感的雙諧振器結(jié)構(gòu)的諧振式MEMS高壓傳感器，并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)表征。MEMS壓力傳感器中的兩個(gè)諧振器在受壓狀態(tài)下展現(xiàn)出不同的壓力靈敏度，可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償功能。所開(kāi)發(fā)的MEMS壓力傳感器的特性與設(shè)計(jì)規(guī)格相符，在?10至50?°C的溫度范圍和0.1至70?MPa的壓力范圍內(nèi)，測(cè)量精度達(dá)到了0.01% FS。此外，通過(guò)油填充的隔離結(jié)構(gòu)，MEMS壓力傳感器可適應(yīng)復(fù)雜的液壓測(cè)量環(huán)境。結(jié)果表明，基于體積壓縮敏感與微梁結(jié)構(gòu)的諧振式MEMS壓力傳感器具有高強(qiáng)度、高精度、優(yōu)異的分辨率及充足的動(dòng)態(tài)性能等優(yōu)勢(shì)。
