微懸臂梁傳感器憑借對質量負載、表面應力以及溫度變化等外界刺激的高靈敏響應，在環境監測、生物醫學診斷和精密測量等領域被廣泛應用。隨著MEMS制造技術的發展，微懸臂梁陣列能夠在單芯片上實現高密度集成，從而在縮小器件尺寸的同時，提高測量精度和信號質量。針對靜態模式懸臂梁偏轉檢測，目前已發展出多種傳感機制，包括光學式、壓阻式、壓電式和電容式等方法。為了將這些傳感方法進一步應用于緊湊型、多功能系統，更高水平的集成化成為關鍵。單片式CMOS-MEMS技術為解決傳統分立式傳感器集成度低、體積大的問題提供了有效途徑，可在同一芯片上集成微懸臂梁傳感結構與CMOS讀出電路，構建出緊湊、高效且穩定的傳感系統。
據麥姆斯咨詢報道，近期，深圳大學許威副教授團隊提出一種CMOS-MEMS單片集成傳感系統（SoC），將電容式微懸臂梁陣列與片上信號處理電路集成，從而構建了一種可同時檢測流量、溫度等物理量的多參數傳感平臺。該片上系統采用標準0.18 μm CMOS工藝制備，并結合自研的CMOS后處理工藝，展現出優異的靈敏度和分辨率，適用于環境監測、生物醫學檢測等應用場景。相關研究成果以“A Monolithic CMOS-MEMS SoC with 1.8?mm/s and 2?mK Resolution for Flow and Temperature Sensing via a Microcantilever Array”為題發表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
圖1 基于微懸臂梁陣列的CMOS-MEMS單片集成傳感系統
在這項工作中，研究人員構建了一種基于微懸臂梁陣列的高靈敏度CMOS-MEMS單片集成傳感系統。該系統將電容式MEMS傳感器與基于頻率的讀出電路集成在同一芯片上，讀出電路包含頻率生成、差分混頻與鎖相環（PLL）放大模塊。傳感器設計以電-熱-機械多場耦合仿真為指導，芯片采用0.18 μm 1P6M CMOS工藝及自主研發的CMOS后處理工藝制備。
圖2 CMOS-MEMS單片集成傳感系統的讀出電路架構與仿真結果
圖3 CMOS-MEMS單片集成傳感系統的表面微加工工藝
圖4 CMOS-MEMS單片集成傳感系統的芯片及微懸臂梁陣列圖示
研究人員通過流量、溫度與光照等實驗，驗證了該CMOS-MEMS單片集成傳感系統的綜合性能。在溫度檢測模式下，該系統在20 ~ 100℃范圍內呈現良好的線性輸出關系，溫度靈敏度達到25.1 kHz/°C，滿量程非線性度低于0.3%。在流量檢測模式下，頻率輸出與流速在最高130 m/s的范圍內呈二次函數關系，線性化靈敏度為133.5 Hz/(m/s)2，在130 m/s流速下最大靈敏度可達32.76 kHz/(m/s)。噪聲分析表明，該系統的最小艾倫方差為14.8 Hz，對應可檢測的最小流速為14.8 mm/s；在低流速與高流速區間內，分辨率分別為29.6 ?mm/s與1.8 ?mm/s。同時，系統的溫度檢測分辨率達到2.3 mK，進一步的光照實驗驗證了該系統對微弱溫度變化的感知能力，展現出極高的檢測靈敏度。
圖5 溫度與流量檢測實驗
圖6 噪聲分析與光照實驗
總體而言，這項研究工作提出的CMOS-MEMS單片集成傳感系統兼具高性能、多參數檢測與高集成度度優勢，在環境與生物醫學領域的微型化、高精度檢測中極具應用潛力。研究人員表示，得益于高靈敏度微懸臂梁的結構設計，該系統通過聚二甲基硅氧烷（PDMS）封裝后，有望進一步應用于脈搏檢測，為可穿戴設備、即時檢測設備等生物醫學應用提供可行的技術方案；未來的研究方向將重點探索解耦策略，包括引入片上參考溫度檢測、基于標定的補償方法以及機械屏蔽等，以抑制溫度-流量串擾，從而提升該系統在特定應用場景中的檢測準確性與穩定性。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-026-01220-5
《MEMS熱式氣體質量流量傳感器產品對比分析-2023版》
《氣體和顆粒物傳感器技術及市場-2024版》
《二氧化碳（CO?）氣體傳感器對比分析》
《盛思銳溫濕度傳感器SHT45產品分析》
《SGX Sensortech微型MEMS催化燃燒式氣體傳感器MP7227產品分析》
《盛思銳氣體傳感器SGP40產品分析》
《盛思銳氣體傳感器SGP30產品分析》
