压电式MEMS压力传感器的设计与工艺研究

　　摘要：硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一，是航空航天、工业过程控制和其他精密测量领域压力测试的最佳选择。系统阐述 30 年来国内外硅微机械谐振压力传感器技术的研究成果，简单介绍硅微机械谐振压力传感器的分类及工作原理，针对压力敏感膜片与谐振器复合结构和振动膜结构两种主要的芯体结构形式，详细论述硅微机械谐振压力传感器的研究历史、主要研究机构、国内外发展现状以及最新的研究成果，重点根据不同激励与检测方式对各种硅微机械谐振压力传感器的芯体结构进行深入分析比较。在此基础上，总结归纳不同芯体结构及其激励与检测方式的特点，并对硅微机械谐振压力传感器的未来发展趋势进行展望。

　　关键词：微机械 谐振 压力传感器 谐振器 激励 检测

  前言基于微机电系统 技术的硅微机械谐振压力传感器是目前精度最高、长期稳定性最好的压力传感器之一，非常适合对精度和长期稳定性要求严格的航空航天、工业过程控制和其他精密测量场合。它通过检20130527 收到初稿，20130815 收到修改稿测物体的固有频率间接测量压力，为准数字信号输出，适用于远距离传输，信号采集和处理方便。由于工作于机械谐振状态，因此其精度主要受传感器机械特性的影响，信噪比高、抗干扰能力强, 其精度和长期稳定性一般优于硅压阻压力传感器和电容压力传感器一个数量级[1-2]。与振动筒压力传感器和石英谐振压力传感器相比，硅微机械谐振压力传感器还具有体积小、重量轻、功耗低、结构紧凑、温度响应快、抗冲击、易于集成化和利于批量生产等2013年10月苑伟政等：硅微机械谐振压力传感器技术发展3众多优点。

　　硅微机械谐振压力传感器技术中最关键的就是传感器芯体设计，其芯体结构及其激励与检测方式对传感器精度和稳定性影响最大。本文将根据激励与检测方式不同，重点对该技术30年发展过程中各种硅微机械谐振压力传感器的芯体结构进行系统介绍。

　　工作原理根据芯体结构不同，硅微机械谐振压力传感器主要可以分为两大类，分别是压力敏感膜片与谐振器复合结构，以及振动膜结构[3]。对于压力敏感膜片与谐振器复合结构，其谐振器固定于压力敏感膜片表面适当位置，并密封于参考压力环境。当待测压力变化时，压力敏感膜片将变形并引起谐振器的刚度变化，通过检测谐振器的固有频率变化就可以实现压力测量。对于振动膜结构，当待测压力变化时，振动膜将变形并改变自身固有频率，通过检测该固有频率变化就可以达到压力测量的目的。

　　两类硅微机械谐振压力传感器芯体结构示意图这两大类硅微机械谐振压力传感器研究都起源于20世纪80年代初期。其中振动膜结构相对压力敏感膜片与谐振器复合结构在芯体设计和制作工艺方面更加简单，但振动膜结构不仅品质因数Q值受待测压力影响，而且精度受同振质量影响，而压力敏感膜片与谐振器复合结构因谐振器密封于参考压力环境工作更加稳定可靠。因此随着 MEMS 技术的发展和日渐成熟，压力敏感膜片与谐振器复合结构硅微机械谐振压力传感器逐渐成为了研究主流， 并且英国、美国、日本、法国等国家已成功研发了硅微机械谐振压力传感器产品并获得了广泛应用。

　　为了检测谐振器或振动膜的固有频率，硅微机械谐振压力传感器需要选取适当的激励与检测方式。常用的激励方式主要有静电激励、电磁激励、电热激励、光激励和逆压电激励等，而常用的检测方式主要有电容检测、压阻检测、电磁检测、光检测和压电检测等。

  2.1静电激励/电容检测方式英国 Druck 公司从 20 世纪 80 年代初以来一直从事硅微机械谐振压力传感器研究。1984 年GREENWOOD[4]开发了全世界第一个硅微机械谐振压力传感器原型，其谐振器和压力敏感膜片在同一张硅片上利用浓硼自停止刻蚀技术制作，并利用环氧树脂将该结构与溅射有电极的玻璃片粘接在一起，采用静电激励/电容检测的工作方式。其谐振器如图 2a 所示，由两个中间连接的矩形板和 V 形支撑梁构成，振动模式为两矩形板的反向扭转，0.133Pa 真空下 Q 值为 10 000。但其电容检测困难，耦合干扰较大，只有在低于 133 Pa 的真空环境下才能检测到谐振频率。之后经过不断优化，Druck 公司在该原型样件的基础上开发了一种气压计[5]，如图 2c 所示，利用玻璃浆料键合替代了环氧树脂粘接，利用玻璃管抽真空将谐振器密封于真空环境。其 Q 值大于 40 000，精度 0.01%FS，年稳定性 0.02%FS， 温度范围–20～70 ℃。1995 年该 RPT 系列压力传感器开始批量生产，其谐振器结构进一步优化为蝶形，仍采用玻璃管真空封装，最高精度 0.01%FS，最高年稳定性 0.01%FS，最高温度范围–40～60 ℃。但这种传感器当压力敏感膜片受压变形时，谐振器的激励与检测电容间隙会发生变化并引起激励力和检测信号的非线性变化，增加了闭环控制的难度。而且由于谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片，谐振器通过压力敏感膜片与外界环境发生能力耦合，即传感器精度受同振质量影响。同时浓硼自停止刻蚀结构自身的内应力及厚度限制造成该系列压力传感器最高量程只有 350 kPa，而且玻璃管也不利于传感器装配，因此严重限制了其应用。

　1996 年 Druck 公司的 WELHAM 等[6]将表面加工工艺与体加工工艺结合制作了另一种静电激励/ 电容检测的硅微机械谐振压力传感器， 采用侧向振动多晶硅梳齿谐振器。虽然其谐振器与压力敏感膜片的工作模态互相垂直可以减小二者之间的能量耦合，滑膜阻尼可以减小封装气体对 Q 值的影响，但改进能力有限，其空气中 Q 值只有 50。并且这种传感器存在不稳定激励与检测的问题,即当压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度会发生变化，而激励与检测梳齿位置不动，因此激励力和检测信号均会减小，这样不仅增加了闭环控制的难度， 同时也会对传感器精度产生影响。

　  Druck 公司第二种电容检测硅微机械谐振压力传感器法国Thales 公司从 20 世纪 90 年代初开始硅微期 研 究的基 础 上，目 前 利用绝 缘 体上硅(Silicon-on-insulator，SOI)深刻蚀释放技术制作出一种动平衡硅微机械谐振压力传感器，谐振器采用侧向动平衡往复振动，可以减小与压力敏感膜片之间的能量耦合，提高 Q 值。而为了利于电容检测，选用差动梳齿设计。其常压下 Q  值为1 250，5 Pa 真空下 Q 值为 50 000。常压封装后经闭环电路测试，其基础频率 34.172 kHz，线性度为0.02%FS，迟滞为 0.05%FS，重复性为 0.17%FS， 精度为 0.18%FS，灵敏度为 10.173 Hz/kPa。

　　西北工业大学硅微机械谐振压力传感器2.2静电激励/压阻检测方式机械谐振压力传感器研究。1995 年 MANDLE 等[7] 研发出一种静电激励/电容检测的硅微机械谐振压力传感器，如图 4 所示，利用三层硅硅真空键合技术制作，其谐振器为双端固支梁，Q 值为 25 000， 精度为 0.01%FS，重复性优于 0.001%FS。1996 年该 P90 系列压力传感器开始批量生产， 精度0.01%FS，温度范围–40～85 ℃，寿命大于 20 年， 同时其真空封装技术 2006 年还在进一步优化[8]。但该传感器的谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片， 因此精度受同振质量影响[9]，并且压力敏感膜片受压变形时激励力与检测信号的非线性变化会增加闭环控制的难度。

　　 Thales 公司硅微机械谐振压力传感器西北工业大学从 2005 年开始硅微机械谐振压力传感器研究，采用静电激励/电容检测的工作方式。2007 年研制出一种三明治结构的硅微机械谐振压力传感器[3, 10]，如图 5a 所示，其谐振器为采用各向异性刻蚀技术镂空的花瓣状结构，常压下基础频率 9.932 kHz，Q 值为 34，其谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片，因此精度受同振质量影响。在前1991 年美国 Schlumberger  航空传感器分公司的PARSONS 等[11]利用硅硅键合技术研制出了一种静电激励/压阻检测的硅微机械谐振压力传感器，表面集成有温度二极管。其谐振器为双端固支梁，真空下的 Q 值大于 60 000，精度 0.01%FS， 温度范围–55～125 ℃。1995 年美国 Honeywell 公司的 BURNS 等[12]也利用表面加工工艺制作了一种静电激励/压阻检测的硅微机械谐振压力传感器，如图6b 所示。其谐振器为密封于真空环境的多晶硅双端固支梁，Q 值为 20 000～40 000，温度为–60～180℃，短期稳定性 1×10–8。但这两种传感器的谐振器振动方向均垂直于压力敏感膜片，尽管通过增大压力敏感膜片与谐振器的频率间隔可以减小二者之间的能量耦合，但传感器精度不可避免仍一定程度上受同振质量影响。

　　 两种静电激励/压阻检测硅微机械谐振压力传感器1999 年Druck 公司的 WELHAM 等[13]利用硅硅键合、减薄与深反应离子刻蚀技术制作了一种静电激励/压阻检测的硅微机械谐振压力传感器，如图2013 年 10 月苑伟政等：硅微机械谐振压力传感器技术发展57a 所示，采用侧向动平衡振动谐振器。由于其谐振器与压力敏感膜片的工作模态互相垂直，因而减小了二者之间的能量耦合，而动平衡振动模式下谐振器对外能量传递也大幅度减少，同时滑膜阻尼可以减小封装气体对 Q 值的影响，压阻检测相对电容检测也更加简单，因此其工作更加稳定，Q 值更高。其常压下 Q 值为 1 000，1 Pa 真空下 Q 值大于50 000。但当压力敏感膜片受压变形时谐振器的高度会发生变化，这种传感器仍存在不稳定激励与检测的问题。

　　2009 年 Druck 公司的 KINNELL 等[2]进一步研制了一种硅微机械谐振压力传感器，根据封装方式不同分 A、B 两种类型，仍采用静电激励/压阻检测的工作方式。其传感器芯体结构和制作工艺更加复杂，由三层硅片和一层玻璃片真空键合而成，通过将谐振器固定端移到硅岛外侧，从而保证压力敏感膜片受压变形时谐振器高度基本不变，避免了不稳定激励与检测的问题。其 Q  值为30  000 ，精度为 0.004%FS ， 两年稳定性优于0.01%FS，温度为–54～125 ℃。该 TERPS 系列压力传感器已于 2010 年正式发布并批量生产。

　　 Druck 公司两种压阻检测硅微机械谐振压力传感器2.3电磁激励/电磁检测方式日本横河电机株式会社从 20 世纪 80 年代末期开始硅微机械谐振压力传感器研究，HARADA 等[14]利用自对准选择性外延生长和选择性刻蚀技术研制出了一种电磁激励/电磁检测的差压硅微机械谐振压力传感器，如图 8a 所示。该传感器有两个位于压力敏感膜片上表面不同应力区并密封于真空腔内的H 形谐振器，通过两谐振器差分来检测压力并消除温度影响。其 Q 值为 50 000，精度为 0.01%FS，温中国科学院电子学研究所从 2008 年开始电磁激励硅微机械谐振压力传感器研究，目前共研发了三种电磁激励/电磁检测的硅微机械谐振压力传感器。其谐振器和压力敏感膜片均采用浓硼自停止刻蚀技术一体制作，谐振器采用侧向振动以减小与压力敏感膜片之间的耦合干扰，通过中间谐振器和边缘谐振器的差分检测来抑制温度影响并提高灵敏度，改善线性度。虽然采用电磁激励/电磁检测方式芯体结构简单，易于激励与检测，但这三种传感器仍避免不了电磁激励方式固有的必须外加恒定磁场的要求。第一种如图 8b 所示[15]，其谐振器为三组 H形双端固支梁，真空下 Q 值为 10  000，线性度为1.8%FS。第二种如图 8c 所示[16]，其谐振器为三组双端音叉谐振器(Double-ended tuning fork，DETF) 谐振梁，真空下 Q 值大于 10 000，线性度为 1.4%FS。但是这两种结构中，中间谐振梁和边缘谐振梁的灵敏度不同，同时封装应力较大，因此差分后传感器非线性较差，温漂大。第三种如图 8d 所示[17]，改进了三谐振梁结构，利用四组工作于待测压力环境的 H 形谐振器差分检测，通过苯并环丁烯(Benzocyclobutene，BCB)胶粘接键合得到参考真空腔，通过单角固定的封装方式减小温度影响和封装应力，传感器常压下 Q 值为 1 200，1 kPa 气压下 Q 值为 2 600，线性度为 0.03%FS，迟滞为 0.06%FS， 温度为–40～70 ℃。但是其谐振器 Q 值会随着待测压力环境变化而变化，不利于闭环控制，会对传感器精度产生影响。而且参考真空腔用 BCB 胶粘接漏率较大，同时会影响传感器的重复性和迟滞。

　　四种电磁激励/电磁检测硅微机械谐振压力传感器2.4电热激励/压阻检测方式度系数为 10×10–6/℃，年稳定性为 0.01%FS。1991 年该 DPharp 系列压力变送器开始批量生产，其独特的差压设计很好地满足了工业应用。但考虑到必须外加恒定磁场，因此该传感器难以实现微型化。

　　北京航空航天大学从 20 世纪 90 年代初开始硅微机械谐振压力传感器研究，目前共研发了两种电热激励/压阻检测的硅微机械谐振压力传感器，均利用硅硅键合技术制作。第一种如图 9a 所示[18]，其谐振器为双端固支梁，真空下 Q 值为 5 195，重复性为 0.08%FS，迟滞为 0.15%FS，精度为 0.17%FS。虽然电热激励/压阻检测方式芯体结构简单，易于激励与检测，但其功耗较高，激励热应力会引起谐振器固有频率变化从而影响精度，同时受外界环境温度变化影响较大。2011 年 TANG 等[19]进一步提出了一种双谐振梁硅微机械谐振压力传感器，如图 9b 所示，其中一个谐振梁位于压力敏感膜片上表面中心位置用于敏感压力，另一个谐振梁位于边框非应力区用于补偿温度，利用两谐振梁的频率差将温漂减小到原来的 3.3%。但是这两种传感器由于谐振梁及其下方振动浅槽的存在导致压力敏感膜片的厚度较大， 传感器的灵敏度受限。同时其谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片，传感器精度受同振质量影响。

　　2.5光激励/光检测方式和静电激励/光检测方式1992 年美国 Schlumberger 航空传感器分公司的 ANGELIDIS 等[21]研制了一种适用于恶劣环境的光激励/光检测的硅微机械谐振压力传感，利用硅硅键合技术制作。其谐振器为双端固支梁，同时集成悬臂梁谐振器测试温度，真空下 Q 值为 20 000，精度为 0.05%FS，工作温度最高为 450 ℃。但光激励方式光学系统复杂，组装精度要求很高。同时由于其谐振器振动方向垂直于压力敏感膜片，传感器精度受同振质量影响。

　　2001 年瑞典皇家理工学院的 MELVAS 等[22]也报道了一种光检测硅微机械谐振压力传感器原型， 如图 11b 所示，采用静电激励的工作方式，表面加工工艺制作。其谐振器为一端固定于压力敏感膜片下表面的多晶硅双端固支梁，工作在由压力敏感膜片密封得到的真空环境。但是由于其多晶硅谐振梁表面有氮化硅层，同时谐振梁与压力敏感膜片之间存在能量耦合，其 Q 值只有 10。

　　中国科学院电子学研究所也从 20 世纪 90 年代初开始硅微机械谐振压力传感器研究，共研发了两大类电热激励/压阻检测的硅微机械谐振压力传感器[20]，分别为方槽结构和半岛结构， 其谐振器均为双端固支梁。其中方槽结构有梁膜一体和梁膜分体两种工艺，谐振器采用单晶硅或富硅氮化硅材料，高真空下 Q 值为 30 000～40 000，并且氮化硅谐振梁由于热导率小因此激励效率更高。而半岛结构采用富硅氮化硅谐振器，灵敏度比方槽结构大一个数量级，达到了 200 Hz/kPa。但这两类传感器仍避免不了电热激励方式固有的局限性，受自身热应力和外界环境温度影响较大，同时富硅氮化硅梁由于自身材料应力问题造成传感器稳定性不好。由于其谐振器振动方向同样垂直于压力敏感膜片，传感器精度受同振质量影响。

　　3振动膜结构3.1静电激励/电容检测方式1993 年新西兰工业 研究有限 公司的 ANDREWS 等[23]报道了一种静电激励/电容检测的硅微机械谐振压力传感器原型，其振动膜工作在待测压力环境中，利用振动膜与电极平面之间气体的压膜刚度效应改变振动膜的固有频率。但该工作原理不适用于高压测试，且精度受同振质量影响。2000 年瑞典皇家理工学院的 MELIN 等[24]也研发了一种静电激励/电容检测的振动膜结构硅微机械谐振压力传感器，如所示，其振动膜由一个硅硅键合的空腔构成，而该空腔又密封于两层玻璃键合的真空环境内。它通过支撑梁上的通道与待测压力直接接触，采用平衡扭转模态振动，