面向各種工業應用的壓阻式MEMS壓力傳感器廠商，持續致力于設計創新、材料與技術改進，以及與各類應用平臺集成的可能性分析。實施先進的解決方案需要經過數年的驗證，以確保性能保持穩定或得到提升，并且需在多個晶圓批次中進行多次迭代。影響傳感器發展的關鍵因素不僅在于批次間特性的可重復性，還包括單個批次內各項參數隨時間的穩定性，包括溫度特性隨時間變化的誤差。
據麥姆斯咨詢報道，近期，俄羅斯杜霍夫全俄自動化科學研究所（VNIIA）提出了一種新型微組裝設計，適用于量程可調范圍為10～60 kPa的MEMS差壓傳感器。該微組裝設計的顯著特點是為壓力傳感器芯片增設限位擋塊，芯片靈敏度為0.61±0.15 mV/V/kPa。所開發的壓力傳感器耐壓能力高達1.5 MPa。該微組裝的基座幾何結構有效降低了壓力傳感器芯片所有機械連接處殘余機械應力（RMS）的影響，這種應力通常在熱循環和壓力循環過程中產生。盡管為了提高傳感器的過載能力必須設置頂部機械限位擋塊（這構成了額外的RMS來源），但經實驗證明，在-65 °C至+85 °C的寬溫度范圍內，該傳感器仍可實現零位溫度遲滯（THZ）誤差小于0.25%/FS。相關研究成果以“Temperature characteristics of MEMS pressure sensor with high proof pressure for adjustable ranges up to 10…60 kPa”為題，發表在Sensors and Actuators A: Physical期刊上。
這項研究工作主要聚焦于量程可調（10-60 kPa）MEMS差壓傳感器芯片微組裝幾何結構的設計，以及預處理操作對溫度特性誤差的影響。該壓力傳感器芯片采用具有四個壓阻元件的惠斯通電橋電路。壓力傳感器芯片由磷摻雜單晶硅（n型）晶圓制造而成，電阻率為4.5 Ω·cm，晶向為（100），襯底厚度為410 μm。
芯片照片：a）壓力傳感器敏感單元正面；b）壓力傳感器敏感單元背面；c）溫度傳感器敏感單元。
微組裝幾何結構的選擇是基于多種解決方案的綜合考量，旨在減少微組裝與其內部壓力傳感器芯片之間各類連接方式對溫度特性的影響。本研究采用玻璃漿料連接基座、芯片和頂部機械限位擋塊，因為選擇這種連接方式是基于現有經驗以及先前在生產中已證實的優勢（這與壓力傳感器芯片中壓阻效應的應用原理具有相似性）。該微組裝設計的一個顯著特點是在靈敏度為0.61±0.15 mV/V/kPa的芯片兩側均設置有機械限位擋塊，當壓力從芯片任意一側施加時，該結構的耐壓能力均可達到1.5 MPa。
微組裝結構設計示意圖：a）側視圖；b）仰視圖。
該微組裝設計采用復雜輪廓的基座結構，從而消除了封裝及所有可能的機械連接對芯片產生的顯著殘余機械應力影響。經溫度循環和壓力循環后，該微組裝結構的殘余機械應力得以降低，溫度特性參數隨之改善，特別是對于零位溫度遲滯（THZ）。零位溫度系數（TCZ）也會略有下降。零位溫度漂移（THS）和靈敏度溫度系數（TCS）幾乎無明顯變化。
微組裝結構基座照片：a）仰視圖；b）斜視圖；c）側視圖，基座與封裝連接區域有兩種連接方式。
MEMS差壓傳感器照片：a）微組裝結構（斜視圖）；b）微組裝結構（側視圖）；c）壓力傳感器最終視圖（未安裝封裝蓋板）。
研究表明，盡管存在由頂部機械限位擋塊（通過兩層玻璃漿料連接至壓力傳感器芯片正面）引入的額外應力源，但是該傳感器仍能實現優異的溫度特性：在-65至+85°C溫度范圍內，零位溫度遲滯（THZ）可達0.25%/FS；在-30至+85°C溫度范圍內，零位溫度系數（TCZ）可達0.25%/10°C/FS。該設計無需專用集成電路（ASIC）即可達到理想的溫度特性指標，并且在最小可調量程（10 kPa）下能承受150倍的耐受壓力，這使其在市售同類MEMS壓力傳感器產品中極具競爭力。
可調差壓量程為10-60 kPa的壓力傳感器溫度特性參數表
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https://doi.org/10.1016/J.SNA.2026.117664
