基于双曲率Herriott型多通气体池的高灵敏度TDLAS气体传感器

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Highly sensitive TDLAS gas sensor based on a dual-curvature Herriott-type multi-pass gas cell

本文提出一种集成温度自补偿的压阻式微压力传感器，采用岛梁膜耦合结构及重力与静电双模补偿策略，在0-50℃范围内实现全量程10mV输出，非线性仅0.307%FS，零点温度漂移0.081%FS，量程温度漂移0.090%FS，显著优于传统补偿方法。摘要后加分隔符：

　　本文介绍了一种新型的压阻式压力传感器，该传感器集成了温度自补偿功能，专门用于微压力检测。检测范围设定为-500帕到500帕，工作温度范围为0摄氏度至50摄氏度。这项研究的初衷是解决传统压阻式传感器在温度变化下输出漂移的问题。通过引入一种创新的岛-梁-膜耦合结构和双模式补偿策略，结合重力和静电补偿机制，研究人员成功实现了传感器的温度自补偿功能。这种结构优化方法不仅提高了传感器的性能，还简化了系统设计，降低了制造成本。

压阻式压力传感器是微机电系统（MEMS）中应用广泛的一种设备，因其体积小、结构简单、性能优异以及易于大规模标准化制造而受到青睐。这类传感器通常由压力敏感膜和四个压阻电阻组成，当膜片受到外部压力时，压阻电阻会根据压力变化而改变其电阻值，从而产生相应的电信号。这些信号通过惠斯通电桥配置进行处理，以提高检测精度和信号稳定性。然而，实际应用中，这些传感器往往需要在存在显著温度波动的环境中工作，这对它们的热稳定性提出了严峻的挑战。例如，轮胎压力监测系统（TPMS）传感器需要在0℃至85℃之间运行，而航天器舱外设备则必须承受从-55℃到85℃的快速温度变化，植入式生物传感器则需在36℃至42℃的范围内保持稳定工作，这与人体核心体温相符。温度变化会导致传感器的精度和灵敏度漂移，进而影响整体的可靠性和准确性。

传统的温度补偿方法主要包括硬件补偿和算法补偿两种。硬件补偿通常涉及在传感器中添加额外的元件，如具有正温度系数的热敏电阻，以增强整个电桥的温度系数，从而抵消温度对传感器性能的影响。这种方法在某些温度范围内表现出良好的效果，但其温度系数的非线性特性，特别是在低温区域，可能会引入残余的补偿误差。另一种方法是算法补偿，通过集成温度测量和调节电路、信号处理和通信电路，并结合改进的PID自适应控制算法，实现对温度引起的漂移进行补偿。虽然这种方法在降低热敏感性漂移系数和热零点漂移系数方面表现出色，但其缺点是增加了系统的复杂性，提高了电路的功耗。

此外，还有基于改进灰狼算法的优化表面拟合方法，这种方法通过减少数据处理量和计算资源的需求，实现了对传感器性能的优化。然而，该方法仍需依赖大量的数据处理和高计算能力，对硬件平台提出了更高的要求。因此，传统补偿方法在简化系统设计和降低制造成本方面存在一定的局限性。

为了解决这些问题，本文提出了一种创新的传感器结构和温度补偿方法。首先，通过优化传感器的结构设计，提高了其对微压力的敏感度，同时减少了非线性误差。其次，引入了一种基于重力和静电效应的新型补偿策略，这种策略利用了岛结构在温度变化下的机械特性，使得传感器能够在不依赖复杂电路或算法计算的情况下，实现有效的温度漂移自补偿。这种方法不仅提高了传感器的性能，还显著简化了系统设计，降低了制造成本，为微压力检测提供了一种更高效、更经济的解决方案。

为了验证所提出的补偿方法的可行性，研究人员使用COMSOL软件进行了重力补偿方法的仿真。仿真模型显示了传感器的三维有限元模型，其中压力敏感膜采用n型硅材料，压阻电阻则采用p型硅材料。边界条件方面，对岛结构的底部施加了均匀的边界载荷，并考虑了材料的热力学特性。仿真结果表明，该补偿方法在温度变化范围内能够有效减少传感器的输出漂移，提高了其在不同温度条件下的稳定性。

在制造方面，本文所设计的传感器采用SOI（绝缘体上硅）工艺进行制作，包括PECVD（等离子体增强化学气相沉积）、刻蚀、离子注入、深反应离子刻蚀（DRIE）以及阳极键合等步骤。这些工艺步骤确保了传感器的机械结构和电气性能能够满足设计要求。使用的SOI晶圆尺寸为4英寸，设备层厚度为10微米，框层厚度为200纳米，基底厚度为500微米。具体的制造流程如图10所示，展示了从晶圆准备到最终封装的各个步骤。

实验部分则通过实际测试来验证传感器的性能。实验分为两个部分：第一部分是在常温条件下对传感器进行测试，测量其全量程输出、非线性误差、灵敏度和重复性，以确保其性能与市场上常见的压阻式压力传感器相当或更优。第二部分则是测试传感器的温度自补偿能力，评估其在不同温度条件下的表现。实验结果表明，该传感器在5伏直流电源激励下，能够实现10毫伏的全量程输出，非线性误差仅为0.307%FS，显示出高灵敏度和良好的线性特性。此外，零点温度漂移被降低至0.081%FS，全量程温度漂移被控制在0.090%FS以内，这表明其在温度变化下的稳定性得到了显著提升。

通过实验验证，该传感器不仅在常温条件下表现出色，而且在不同温度环境下的性能也得到了有效保障。这为传感器在各种实际应用场景中的可靠性提供了重要支持，特别是在需要高精度和高稳定性的领域，如汽车、消费电子、航空航天和医疗健康等。这种新型传感器的提出，不仅拓宽了压阻式压力传感器的应用范围，也为未来的传感器设计和制造提供了新的思路。

研究人员还指出，传统补偿方法虽然在一定程度上可以缓解温度漂移的影响，但它们往往伴随着较高的系统复杂性和功耗。而本文所提出的补偿方法，通过结构优化，使得传感器能够在不依赖复杂电路或算法的情况下，实现温度自补偿。这不仅降低了系统的复杂性，还减少了制造成本，提高了传感器的实用性和经济性。

在应用方面，这种新型传感器可以用于需要微压力检测的多种场景。例如，在汽车行业中，可以用于监测轮胎压力，确保行车安全；在消费电子领域，可以用于智能设备的压力感知，如可穿戴设备或智能家居系统；在航空航天领域，可以用于航天器舱外设备的压力监测，以适应极端温度环境；在医疗健康领域，可以用于植入式生物传感器，监测人体内部压力变化，为疾病诊断和治疗提供支持。这些应用场景表明，该传感器具有广泛的应用前景。

此外，本文还强调了结构优化在传感器设计中的重要性。通过优化岛-梁-膜耦合结构，不仅提高了传感器的性能，还增强了其在复杂环境下的适应能力。这种结构设计能够有效应对温度变化带来的影响，使得传感器在不同温度条件下都能保持稳定的输出。因此，结构优化不仅是一种提高传感器性能的技术手段，更是一种解决实际应用中温度漂移问题的有效方法。

在研究过程中，研究人员还详细分析了温度变量对传感器性能的影响。通过引入温度变量，他们能够更全面地理解传感器在不同温度条件下的行为，并进一步优化其设计。这种分析方法为后续的传感器研究和开发提供了理论支持，也为实际应用中的性能评估提供了依据。

总之，本文提出了一种新型的压阻式压力传感器，通过结构优化和创新的温度补偿方法，有效解决了传统传感器在温度变化下的输出漂移问题。该传感器不仅在性能上优于现有技术，而且在设计和制造上更加简便，为微压力检测提供了一种高效、经济的解决方案。未来，随着技术的不断进步和应用场景的拓展，这种新型传感器有望在更多领域得到应用，推动相关技术的发展。