一、研究介紹
近日，四川大學(xué)機械工程學(xué)院王竹卿教授團隊在微機電系統(tǒng)（MEMS）傳感器領(lǐng)域取得重要進展，成功開發(fā)出一款具備溫度自補償功能的壓阻式MEMS微壓傳感器。該傳感器采用創(chuàng)新的“島-梁-膜”耦合結(jié)構(gòu)，通過重力與靜電補償機制，在-500 Pa至500 Pa的微壓范圍內(nèi)實現(xiàn)了高精度、低溫度漂移的穩(wěn)定檢測。相關(guān)成果以“A MEMS piezoresistive sensor with integrated temperature self-compensation and enhanced structural design for micro-pressure detection”為題，發(fā)表于期刊《Sensors and Actuators: A. Physical》（中科院三區(qū)，IF=4.9）。論文第一作者為四川大學(xué)23級博士生李春洋，通訊作者為夏操老師與王竹卿教授。
二、研究內(nèi)容
傳統(tǒng)的壓阻式壓力傳感器在溫度變化環(huán)境下容易出現(xiàn)輸出漂移，常需依賴復(fù)雜電路或算法進行補償，導(dǎo)致系統(tǒng)功耗高、成本上升。本研究提出一種結(jié)構(gòu)驅(qū)動的溫度自補償方案：
1. 核心結(jié)構(gòu)創(chuàng)新
本研究設(shè)計“島-梁-膜”耦合結(jié)構(gòu)，通過島狀結(jié)構(gòu)的重力效應(yīng)與靜電反饋力，主動抵消熱應(yīng)力引起的輸出誤差。采用弧形交叉梁與八角形曲面敏感膜，提升應(yīng)力集中效應(yīng)與線性度，靈敏度達10 mV/FS（5V供電）。
器件結(jié)構(gòu)三維剖視圖
溫度自補償方法原理圖
2. 溫度自補償性能
在0°C至50°C溫度范圍內(nèi)，該MEMS微壓傳感器零點溫度漂移僅為0.081% FS，全范圍溫度漂移為0.090% FS，遠優(yōu)于傳統(tǒng)的補償方式。非線性誤差低至0.307% FS，重復(fù)性為0.265% FS，具備工業(yè)級精度。
變溫輸出曲線圖：(a)室溫下-500Pa至500Pa壓力循環(huán)下的輸出電壓；(b)傳感器輸出中的非線性誤差；(c)不同溫度下-500Pa至500Pa壓力循環(huán)下的輸出電壓；(d) 0℃、25℃和50℃下不同時間的零點電壓輸出
3. 工藝與實驗驗證
基于SOI工藝制備MEMS微壓傳感器，通過雙DRIE刻蝕精確控制島結(jié)構(gòu)厚度，實現(xiàn)一致性達99.78%的加工精度。在變溫實驗中，該MEMS微壓傳感器表現(xiàn)出良好的零點穩(wěn)定性（<0.4%），適用于極端環(huán)境下的微壓監(jiān)測。
MEMS微壓傳感器芯片顯微照片
三、結(jié)論和展望
本研究通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)了無需外部電路的溫度自補償，為微壓檢測提供了一種高性能、低成本的解決方案。相較于傳統(tǒng)的方法，該MEMS微壓傳感器具備更高集成度、更低功耗與更優(yōu)的溫度適應(yīng)性，適用于醫(yī)療設(shè)備、航空航天、汽車電子等領(lǐng)域的高精度壓力監(jiān)測。未來，團隊將進一步推動該傳感器的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，并探索其在智能穿戴、植入式醫(yī)療設(shè)備中的潛力。
