寬溫度范圍工作的壓力傳感器在航空航天、深海探測、能源開發及化工等領域具有重要的應用價值。隨著微機電系統（MEMS）技術的不斷發展，以及碳化硅（SiC）和絕緣體上硅（SOI）技術的持續突破，推動了高溫壓力傳感器的快速發展。零點漂移（zero drift）是影響壓阻式壓力傳感器在500℃高溫環境下測量精度的關鍵因素。
據麥姆斯咨詢報道，近日，西北工業大學與國防科技創新研究院的研究團隊首次采用原位摻雜技術制備出MEMS高溫壓阻式壓力傳感器。借助原位摻雜工藝，可直接生長具有適宜摻雜濃度的器件層。無需再對器件層中的硅進行離子注入或熱擴散，避免引入新的雜質元素。在500℃高溫環境下經8小時測試，該壓力傳感器的零點漂移值僅為218 μV。經過線性溫度補償后，其在整個溫度范圍內的壓力測量誤差低至±1.83% FS。采用原位摻雜技術的壓力傳感器不僅顯著提升了高溫環境下的溫度穩定性，也為高性能MEMS高溫壓力傳感器的發展提供了新的技術路徑。相關研究成果以“Piezoresistive Pressure Sensors Fabricated Based on in-Situ Doping Technology Exhibits Outstanding Performance at High Temperatures”為題發表于2026 IEEE MEMS國際會議。
MEMS壓力傳感器設計與制造
MEMS高溫壓阻式壓力傳感器的制造工藝如圖1所示。首先，對SOI晶圓進行清洗，去除其兩側的二氧化硅保護層。隨后，在SOI晶圓正面旋涂一層均勻的光刻膠，并通過光刻工藝形成所需圖案。之后，采用電感耦合等離子體（ICP）刻蝕技術，在晶圓正面刻蝕形成壓敏電阻和電極結構。在壓敏電阻區域涂覆一層10 μm厚的光刻膠進行保護，并分別在焊盤和互連引線上濺射沉積20 nm鉻（Cr）和400 nm金（Au）。隨后，通過剝離工藝去除多余金屬，并在300°C下快速退火5分鐘，以形成良好的歐姆接觸。最后，通過硅與玻璃的陽極鍵合，實現了絕對壓力腔的氣密封裝。圖2展示了晶圓切割后的MEMS壓阻式壓力傳感器芯片實物。
圖1 原位摻雜MEMS高溫壓阻式壓力傳感器的制造工藝
圖2 MEMS壓阻式壓力傳感器芯片照片
寬溫度范圍測試和校準補償
圖3展示了溫度與壓力耦合校準測試系統。選取25°C、100°C、300°C和500°C四個恒定溫度值，對MEMS壓阻式壓力傳感器的靜態特性進行測試。最終測試數據選取加載過程和卸載過程的平均值，結果如圖4所示。
圖3 溫度-壓力耦合測試系統
圖4 不同溫度下MEMS壓阻式壓力傳感器輸入-輸出特性測試結果
根據上述分析可知，隨著溫度的升高，MEMS壓阻式壓力傳感器的測量精度逐漸降低。因此，將該壓力傳感器置于溫度-壓力耦合測試系統中，在0.2 kPa恒定壓力下，將溫度從25℃提升至500℃，并保持8小時。壓力傳感器在整個過程中的輸出結果記錄如圖5所示。
圖5 溫度從25℃提升至500℃時，MEMS壓阻式壓力傳感器的零點輸出電壓
為實現全溫度范圍內精確的壓力測量，研究團隊進一步基于溫度參數，對MEMS壓阻式壓力傳感器的零點和靈敏度進行溫度補償。根據在不同溫度下壓力傳感器的輸出電壓推算得到的壓力測量值，并與實際施加壓力值進行對比，結果如圖6所示。
圖6 經過線性溫度補償后的全溫度范圍測量誤差
研究團隊通過擬合零點和靈敏度溫度誤差曲線，對MEMS壓阻式壓力傳感器的輸出電壓進行補償。結果表明，該壓力傳感器在25～500°C范圍內的測量誤差小于±1.83% FS，具有較高的測量精度。
總結
綜上所述，這項研究基于重摻雜SOI晶圓，開發了一種高效、快速的高溫壓力傳感芯片制造工藝，并成功制備出耐溫高達500℃的MEMS壓阻式壓力傳感器。通過建立溫度-壓力耦合測試系統，對該壓力傳感器的性能指標進行了實驗驗證，并完成了溫度補償。通過溫度補償后，該壓力傳感器在20～500°C范圍內的測量誤差可小于±1.83% FS。憑借其優異的高溫穩定性，該MEMS壓阻式壓力傳感器有望應用于能源、化工等高溫環境中的壓力監測，從而推動相關領域的產業發展和技術突破。
論文鏈接：
https://doi.org/10.1109/MEMS64181.2026.11419578
