壓阻式壓力傳感器由于尺寸小、響應快、集成度高、輸出信號易處理、可批量制作以及成本低等優點被廣泛應用于汽車電子、氣象監測、生物醫藥等領域。特別是隨著航空航天的發展，分布式傳感器網絡作為未來飛機系統故障檢測和健康管理（PHM）的主要工具，對小量程表壓壓力傳感器的需求不斷增加。

對于小量程壓力傳感器，主要參數即靈敏度和非線性度，一般通過增大膜片面積和減小膜片厚度來提高傳感器的靈敏度，但這會導致傳感器非線性度增大。如何在保證非線性度的同時提高靈敏度是一個重要問題。

據麥姆斯咨詢報道，針對飛機供氧、液壓、環控和燃油等系統故障預測與健康管理對小量程壓力傳感器的重大需求，合肥工業大學許高斌教授團隊設計了一種新型梁膜復合結構MEMS壓阻式壓力傳感器。該傳感器在-2 ~ 12 KPa的量程內，靈敏度可達21.801 mV/KPa，非線性度僅為0.02%，可用于航天航空等領域對小量程壓力進行精確測量。相關研究成果以“小量程高靈敏度壓阻式表壓壓力傳感器”為題發表在《真空科學與技術學報》期刊上。

在這項研究工作中，研究人員通過采用新型梁膜復合結構創造應力集中區域并降低膜片形變，在達到平衡傳感器非線性度的同時提高了器件的靈敏度。在敏感薄膜設計方面，采用了弧形膜和米字梁復合型結構，并通過弧形硅杯支撐，可以同時提高器件靈敏度和降低非線性度。

仿真結果表明，結構優化不僅能夠集中應力，同時也能增加膜片剛度。對各項尺寸進行對比和優化，通過ANSYS有限元分析仿真確定了合適的壓敏電阻位置，傳感器在-2 ~ 12 KPa量程內的靈敏度為21.801 mV/KPa，非線性度為0.02%，過載為總量程10倍以上。

圖1 傳感器膜片結構示意圖

圖2 壓力與輸出電壓的關系

在制作工藝方面，該傳感器選用SOI晶圓作為襯底材料，可以方便地控制摻雜厚度。主要工藝流程包括熱氧化生長二氧化硅薄膜、離子注入形成壓敏電阻、磁控濺射制備金屬互連、反應離子刻蝕形成米字梁結構、深反應離子刻蝕制備背腔以及陽極鍵合形成真空密封腔等工藝流程。

圖3 傳感器工藝流程圖

綜上所述，這項研究工作基于MEMS工藝，開發出一種新型梁膜復合結構的壓阻式壓力傳感器。通過合理設計敏感薄膜結構，優化壓阻位置以及制作工藝，實現了器件高靈敏度和良好線性度的平衡。該傳感器有望滿足航天航空等領域對小量程壓力精確測量的需求。

論文信息：DOI: 10.13922/j.cnki.cjvst.202305016

審核編輯：劉清