具有高抗压能力的MEMS压力传感器的温度特性，可调量程高达10^6至10^60千帕（kPa）

《Sensors and Actuators A: Physical》：Temperature characteristics of MEMS pressure sensor with high proof pressure for adjustable ranges up to 10…60 kPa

本研究提出一种新型微装配设计用于差分压力传感器，支持10-60 kPa可调量程，双面止位结构提升至1.5 MPa抗过载能力，温度特性误差（THZ）低于0.25%/FS（-65°C至+85°C），有效降低残余机械应力（RMS）影响。

　　

M. Basov

杜霍夫自动研究所（VNIIA），俄罗斯莫斯科127055

摘要

温度特性是决定MEMS压力传感器在特定工作条件下性能的关键参数之一。本研究展示了一种新型微组装设计，用于差压传感器，其可调范围为10…60 kPa。该微组装的独特之处在于其在压力传感器芯片上使用了止动装置，该芯片的灵敏度为S = 0.61 ± 0.15 mV/V/kPa。所开发的压力传感器能够承受1.5 MPa的验证压力。所提出的微组装基础几何结构显著减少了由于热循环和压力循环作用而产生的残余机械应力（RMS）对传感器的影响。研究表明，在?65°C至+85°C的宽温度范围内，零信号温度滞后（THZ）的误差可以控制在0.25%/FS以下，尽管顶部机械止动装置（作为额外的RMS来源）是必要的，但仅用于提高压力传感器的过载能力。

引言

基于压阻效应的微机电系统（MEMS）压力传感器销售市场的公司一直在设计、材料和技术改进方面寻求创新，并研究与各种应用平台的集成可能性，例如用于物联网的无线实现[1]、医疗领域的柔性压力传感器[3]和工业物联网[4]、适用于低于5 kPa的超低压力范围的超高灵敏度压力传感器[5]、[6]、[7]、用于喷管燃烧室、飞机和航空航天发动机压缩机的高温SiC压力传感器[8]、[9]，以及压力传感器与温度、气体、湿度等其他物理量传感器的组合[10]、[11]。实现这些先进解决方案需要多年的验证，以确认性能的一致性或提升，这涉及多批次晶圆的迭代测试。开发过程中的一个重要因素不仅是批次间特性的重复性，还包括同一批次内所有参数的稳定性，包括随时间变化的温度特性误差[12]、[13]、[14]。

目前，大量关于压阻压力传感器的文章和综述主要集中在分析和探讨在特定应用条件下实现先进机械性能的设计和技术解决方案，以及压力的类型和标称值。相比之下，对温度影响问题的关注较少。温度是影响压力传感器性能的最重要因素之一。温度特性主要通过两个参数来考虑，针对两种类型的输出信号：

1.

零信号温度系数（TCZ）和灵敏度温度系数（TCS）是可以通过特定应用的集成电路（ASIC）[15]、[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]或在芯片的非压力敏感区域添加额外电路[23]、[24]、[25]来补偿的误差，因为这些误差在温度变化重复过程中是可以预测的。此外，也可以将温度传感器集成到压力传感器芯片[26]、[27]、[28]、[29]中，或将其封装在小型封装中[11]，以实现TCZ和TCS误差的外部补偿。现代ASIC可以将TCZ和TCS误差降至可接受的水平，即TCZ不超过0.50%/(100°C·FS)，TCS不超过3.50%/(100°C·FS)。

2.

灵敏度的温度滞后（THS）尤其是零信号的温度滞后（THZ）是无法补偿的误差，且具有相当的随机性，但仍在一定的误差范围内。因此，主要努力集中在寻找减少THZ和THS的方法上，这些因素决定了压力传感器的最终精度。

所提出的解决方案主要针对由残余机械应力（RMS）引起的温度特性误差。RMS受到多种因素的影响，包括：

1.

具有较高热膨胀系数（CTE）的各种类型的金属化工艺[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。

2.

微组装结构的几何形状及其与压力传感器芯片的连接技术[38]、[39]、[40]、[41]、[42]、[43]。

3.

微组装结构与传感器封装的连接方法[44]、[45]、[46]、[47]、[48]、[49]、[50]。

4.

扩散和等离子体工艺的纯度。SiO₂层中的游离电荷会导致漏电流[51]、[52]、[53]。

5.

压阻器（PRs）的掺杂水平[54]、[55]、[56]。

6.

SiO₂和Si₃N₄层的压缩或拉伸应力RMS的标称值[57]、[58]、[59]。

7.

硅与金属化层之间的欧姆接触电阻[60]。

8.

压力传感器芯片本身的生产过程中的RMS取决于膜结构的几何不对称性、光刻和扩散工艺的误差[61]、[62]、[63]、[64]。

本研究基于大量实验统计数据，同时提出了通过减少RMS的影响和提高差压传感器的过载能力来降低温度特性误差的解决方案，这些差压传感器的可调范围可达10…60 kPa。这些解决方案涉及改进上述第2点和第3点中讨论的带有止动装置的微组装结构设计。需要明确的是，优化微组装结构与封装连接的侧边长度是解决RMS问题的关键。此外，解决方案还考虑了差压传感器在热循环（TC）和压力循环（BC）后的特性变化。所考虑的微组装设计的独特之处在于其能够在压力传感器芯片两侧承受150倍的过载压力（相对于10 kPa的范围），并且THZ < 0.25%/FS（在?65°C至+85°C范围内）。开发的输出特性将通过与大规模生产的类似产品进行直接对比分析，以验证所提出解决方案的有效性。

部分摘录

压力传感器芯片的设计与技术

本研究的主要焦点是可调范围为10…60 kPa的差压传感器芯片的微组装几何设计及其对温度特性误差的影响。因此，首先介绍了压力传感器芯片本身的设计和制造技术作为先前开发的技术路线的基础数据。下面详细描述了压力传感器芯片正面的所有特征（图1）

热循环（TC）和压力循环（BC）前后温度特性的实验研究

所开发的压力传感器在Espec MC-811热室内进行了温度特性分析，该热室可在?65°C至+85°C范围内提供ΔT_chamb = ±0.5°C的温度波动和ΔT’_chamb = ±2.0°C的温度梯度。通过热室认证证明，在装有样品的特殊夹具中，上述温度参数的实际值降低了50%以上。

与大规模生产类似产品的温度特性比较分析

为了与其他基于压阻效应的压力传感器进行比较分析，需要考虑大致相同的压力类型和范围、灵敏度以及验证压力。所开发的压力传感器的输出特性直接与市场上可获得的类似产品[81]进行了对比，这些类似产品具有非放大的输出信号。所开发的压力传感器及其类似产品各自具有自身的优势

结论

本研究提出了一种新型微组装设计，用于具有可调范围为10…60 kPa的压阻压力传感器。该微组装设计的独特之处在于在芯片两侧使用了止动装置，芯片的灵敏度为S = 0.61 ± 0.15 mV/V/kPa，并且能够在芯片任一侧施加1.5 MPa的验证压力下保持稳定。微组装设计还采用了复杂轮廓的基础结构，消除了

CRediT作者贡献声明

M. Basov：撰写原始草案、项目管理、数据分析、形式化分析、概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系

Mikhail Basov毕业于俄罗斯莫斯科的国家核研究大学“莫斯科工程物理研究所”（MEPhi，纳米与微电子学系），获得电气与电子工程硕士学位。自2010年起，他在杜霍夫自动研究所（FSUE VNIIA，莫斯科）担任研发工程师，专注于开发MEMS压阻压力传感器和微电子温度传感器。他于2022年获得MEPhI博士学位。他的博士论文是