微尺度效應(yīng)是指材料物理、化學(xué)、力學(xué)等性能隨長(zhǎng)度、體積、面積等特征尺寸變化而發(fā)生顯著改變的一類現(xiàn)象。該效應(yīng)因在提升傳熱效率、改善力學(xué)性能以及顯著增強(qiáng)靜電力等方面具有獨(dú)特能力，已被廣泛應(yīng)用于各類MEMS器件中。對(duì)于MEMS壓力傳感器而言，過(guò)載能力是其關(guān)鍵性能指標(biāo)，直接決定傳感器在承受高壓沖擊后能否保持正常工作。傳統(tǒng)的壓阻式差壓傳感器雖然在靈敏度、穩(wěn)定性和成本方面具備優(yōu)勢(shì)，但在過(guò)載壓力沖擊下，其硅膜片或壓敏電阻等敏感結(jié)構(gòu)容易發(fā)生斷裂，導(dǎo)致器件失效。
據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為提升傳感器過(guò)載能力并兼顧靈敏度，大連理工大學(xué)杜立群教授團(tuán)隊(duì)將單晶硅膜片的微尺度強(qiáng)度效應(yīng)引入MEMS差壓傳感器的通用設(shè)計(jì)方法中，建立了結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)與單晶硅膜片斷裂強(qiáng)度之間的關(guān)系，進(jìn)而設(shè)計(jì)出一種具備高過(guò)載能力的壓阻式MEMS差壓傳感器，驗(yàn)證了微尺度效應(yīng)對(duì)傳感器過(guò)載能力的提升作用。相關(guān)研究成果以“Leveraging the microscale effect to enhance the overload capacity of a piezoresistive differential pressure sensor”為題發(fā)表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
單晶硅膜片的斷裂強(qiáng)度具有明顯的微尺度效應(yīng)，即其斷裂強(qiáng)度會(huì)隨膜片尺寸（例如特征長(zhǎng)度和膜片厚度）的變化而改變。在MEMS差壓傳感器中，作為敏感元件的單晶硅膜片，尺寸不同則斷裂強(qiáng)度存在差異。為了利用微尺度效應(yīng)提升MEMS差壓傳感器的過(guò)載能力，研究人員建立了考慮單晶硅力學(xué)微尺度效應(yīng)的過(guò)載優(yōu)化模型。為了建立該模型，研究人員通過(guò)爆破壓力測(cè)試對(duì)不同厚度的膜片進(jìn)行了斷裂強(qiáng)度表征。結(jié)果表明，基于濕法刻蝕工藝制備的硅壓力膜片，當(dāng)厚度從200 μm減小至15 μm時(shí)，其斷裂強(qiáng)度從656 MPa提升至904 MPa，印證了超薄硅膜片可借助微尺度效應(yīng)實(shí)現(xiàn)強(qiáng)度強(qiáng)化。
圖1 單晶硅膜片斷裂強(qiáng)度的測(cè)試方法、測(cè)試裝置及表征結(jié)果
圖2 微尺度效應(yīng)的仿真驗(yàn)證與理論機(jī)制
敏感膜片結(jié)構(gòu)是決定差壓傳感器過(guò)載性能的關(guān)鍵因素。為進(jìn)一步提升過(guò)載能力，研究人員創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一種圓角十字梁島（CBIF）超薄膜片結(jié)構(gòu)。在該設(shè)計(jì)中，十字梁島結(jié)構(gòu)用于調(diào)控并集中應(yīng)力分布，以保證傳感器靈敏度；圓角結(jié)構(gòu)用于降低膜片最大應(yīng)力，減小應(yīng)力集中；超薄膜片則用于利用單晶硅的微尺度強(qiáng)度效應(yīng)，提高膜片斷裂強(qiáng)度。三者協(xié)同作用，從而提升傳感器的抗過(guò)載能力。通過(guò)有限元仿真和尺寸優(yōu)化模型，研究人員分析了CBIF膜片結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)過(guò)載能力的影響，利用融入微尺度效應(yīng)的尺寸優(yōu)化模型，確定了可實(shí)現(xiàn)最高過(guò)載能力的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
圖3 CBIF膜片結(jié)構(gòu)在雙向壓力載荷下的仿真結(jié)果
圖4 CBIF膜片結(jié)構(gòu)尺寸與應(yīng)力之間的關(guān)系，以及不同膜片結(jié)構(gòu)在爆破壓力下的仿真對(duì)比
基于MEMS體硅微加工工藝，研究人員進(jìn)一步制備了CBIF膜片結(jié)構(gòu)MEMS差壓傳感器樣品，并進(jìn)行了測(cè)試。結(jié)果表明，所制備的CBIF膜片結(jié)構(gòu)傳感器在0 ~ 100 kPa壓力范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了10.5 ± 0.3倍滿量程（FS）的爆破壓力，靈敏度為0.16 mV/V/kPa。與傳統(tǒng)C型膜片結(jié)構(gòu)傳感器相比，在相同壓力范圍和相同靈敏度條件下，CBIF膜片結(jié)構(gòu)傳感器的過(guò)載能力提升了66.4%。
圖5 制備完成的CBIF膜片結(jié)構(gòu)MEMS差壓傳感器照片
圖6 測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試結(jié)果
這項(xiàng)研究工作證明了微尺度效應(yīng)在MEMS差壓傳感器設(shè)計(jì)中的重要應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)膜片厚度小于100 μm時(shí)，無(wú)論是常規(guī)C型膜片、本研究提出的CBIF膜片還是其它結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的膜片，均會(huì)表現(xiàn)出明顯的微尺度效應(yīng)。盡管這一特性能夠顯著提升硅膜片的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，但在當(dāng)前的傳感器設(shè)計(jì)中尚未得到充分重視。因此，在未來(lái)的MEMS傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化過(guò)程中，應(yīng)將強(qiáng)度相關(guān)的微尺度效應(yīng)作為關(guān)鍵設(shè)計(jì)因素予以考量。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-026-01332-y
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