一种具有应力隔离功能的高精度、高灵敏度的共振式差压传感器

《Sensors and Actuators A: Physical》：A High Precision High Sensitivity Resonant Differential Pressure Sensor with Stress Isolation

高灵敏度微差压传感器设计与热应力隔离优化研究。通过复合敏感薄膜结构设计与有限元仿真优化，实现5,731 ppm/kPa差压灵敏度与1.28 ppm/kPa静压灵敏度。采用玻璃键合水平隔离结构使温度漂移趋近自由传感器水平。

　　
在精密压力测量领域，差压（DP）传感器因其高精度、高分辨率和准数字输出的特点备受关注。本研究针对现有DP传感器存在的灵敏度不足、热应力敏感等问题，提出了一种基于复合敏感膜和水平隔离结构的共振式差压传感器解决方案。通过结构创新与工艺优化，该传感器在-10至10 kPa压力范围内实现了538.76 Hz/kPa的高差压灵敏度，同时将静压灵敏度控制在1.28 ppm/kPa量级，其温度漂移性能与未组装器件相当，验证了设计的可靠性。

**核心创新点与实现路径**
1. **复合敏感膜结构设计**
研究突破传统单层膜结构限制，采用三层复合结构：底层为硅基支撑层，中间为功能敏感层（厚度优化至5μm以下），上层为硅覆盖层。通过材料层叠与结构优化，使膜片在承受压力时产生可控的弯曲形变，既增强差压响应灵敏度（中心区谐振频率变化达277.28 Hz/kPa），又抑制静压干扰（边缘区设计有效抵消整体形变）。该结构相比单层膜方案，在相同厚度下灵敏度提升约3.6倍，同时将静压灵敏度降低两个数量级。

2. **差压-静压解耦机制**
通过建立双区谐振结构（中心区与边缘区），实现差压与静压信号的物理分离。中心区谐振器主要响应差压变化，边缘区作为刚性支撑降低整体形变，这种空间分布设计使传感器在±10 kPa量程内差压灵敏度保持稳定，静压干扰系数降至0.035% FS以下。有限元模拟显示，该结构能有效分散应力集中，相比传统单层膜设计，应力分布均匀性提升42%。

3. **水平隔离热应力控制技术**
针对硅基器件热膨胀系数差异导致的应力损伤，开发新型水平隔离结构。通过玻璃-硅键合（GOS）工艺在传感器底部形成刚性支撑层，同时利用微米级悬臂梁（厚度15μm，长度200μm）构建隔离通道。该结构将热应力导致的形变误差降低97%，使传感器在-40至60°C范围内保持±0.035% FS的校准精度。与垂直隔离方案相比，水平隔离结构简化了制造流程，成本降低约30%。

**关键技术突破**
- **薄膜工艺优化**：采用深反应离子刻蚀（DRIE）技术制备5μm复合膜，较传统阳极键合工艺（膜厚7-10μm）实现更薄结构。通过表面微加工技术形成非对称表面纹理，在保证机械强度的同时提升声辐射阻抗，使灵敏度系数从常规的120 Hz/kPa提升至538.76 Hz/kPa。
- **双频段谐振模式**：创新性地在膜片中心区（直径300μm）设计低刚度谐振梁（弹性模量8.5 GPa），在边缘区（直径800μm）布置高刚度支撑梁（弹性模量11.2 GPa）。这种非对称结构使传感器在0-10 kPa正向压力下产生261.48 Hz/kPa的负向频率偏移，而在-10至0 kPa反向压力下则呈现277.28 Hz/kPa的正向响应，有效区分差压与静压信号。
- **全流程工艺整合**：基于SOI晶圆（硅氧烷隔离层厚度1μm）的批量制造工艺，通过光刻-干法刻蚀-金属化-键合四步法实现器件集成。特别在玻璃-硅键合阶段，采用梯度温度曲线（升温速率1.5°C/min，激活温度580°C）确保界面结合强度＞200 MPa，避免传统工艺中常见的分层失效问题。

**性能验证与工程应用**
测试数据显示，传感器在常温（25±2°C）环境下对差压（ΔP）响应线性度达0.998（R2=0.9993），滞后误差＜0.02% FS。关键性能指标突破：
- **差压灵敏度**：538.76 Hz/kPa（较传统压阻式传感器提升4.6倍）
- **静压灵敏度**：1.28 ppm/kPa（较电容式传感器降低两个数量级）
- **温度稳定性**：-40至60°C范围内频率漂移＜15 Hz（对应压力误差0.03% FS）

经2000次循环测试验证，传感器在10 kPa差压下稳定性保持＞99.7%，年漂移率控制在0.8%以内。该性能已达到国际领先的差压传感器技术指标（NASA标准SP-2006-2106要求年漂移率＜1%）。

**技术对比与发展趋势**
本研究成果在多个维度超越现有技术：
1. **灵敏度对比**：优于Xu团队压阻式传感器（2.255 mV/V/kPa）3个数量级，超过Yao团队金属玻璃薄膜（181 Hz/kPa）2.9倍。
2. **抗干扰能力**：静压灵敏度较Pernu团队电容式传感器（0.475 pF/kPa）降低两个数量级，且温度漂移系数较Harada方案（3.7% FS非线性）降低98%。
3. **工艺兼容性**：采用SOI晶圆批量制造工艺，晶圆加工成本降低至传统工艺的1/3，适于年产＞50万台的规模化生产。

该技术已通过环境适应性测试，在振动幅度＞5g、湿度＞90%条件下仍保持原始标定精度＞95%。未来可拓展至生物医学（如微创血压监测）、航空航天（如发动机气流监测）等高端应用领域，推动差压传感器向更高集成度、更低功耗方向发展。

**产业化路径与挑战**
当前技术已具备中试能力，主要产业化障碍包括：
1. **膜片应力控制**：需进一步优化DRIE参数（刻蚀速率15 nm/s，气体流量45 SCCM）以控制残余应力
2. **动态范围扩展**：现有结构在＞10 kPa压力下灵敏度下降至基准值的78%，需开发新型支撑结构
3. **成本优化**：玻璃-硅键合工艺占整体成本的42%，需探索低温共烧（LTCC）等替代方案

研究团队已建立完整的工艺数据库（包含127项关键参数），成功将传感器尺寸缩小至1.2×1.2 cm2，满足MEMS传感器微型化趋势。下一步将重点突破耐高温（＞150°C）应用场景，开发航空级（MIL-STD-810H标准）传感器原型。