具有高灵敏度的低量程多孔硅压力传感器研究

低量程压力传感器在空间探索、半导体加工及生物医学领域具有相当大的应用需求。本项目旨在研究应用于低量程（10kPa以下）且具有高灵敏度（1mV/V/kPa）特性的多孔硅MEMS压阻式压力传感器。传统硅压阻式压力传感器感压薄膜的结构限制了其在低压应用时的灵敏度，非线性恶化且加工工艺复杂。本项目以提高低量程压力传感器的灵敏度特性为研究目标，基于多孔硅优越的压阻和机械性能，进行多孔硅压力传感器的物性研究和器件应用探索。在采用水热制备技术实现对多孔硅微结构调控的基础上，建立多孔硅压阻特性、电学特性、机械特性与多孔硅微结构之间的定性或指向性关联关系。通过结构模拟和优化设计，研制高灵敏度特性的低量程压力传感器芯片。相关研究成果将会极大促进我国低微压传感器的发展，同时为基于多孔硅的MEMS传感器的实用化提供理论基础和技术支持。

项目提出研制基于多孔硅材料的MEMS压阻式压力传感器。项目研究过程中，优化了多孔硅的制备条件，包括薄膜、厚膜多孔硅及不同多孔硅/硅复合膜结构。发展了一项与硅MEMS工艺相兼容的多孔硅图形化技术。系统探索了多孔硅MEMS压力传感器芯片研制过程中的关键工艺参数，如压敏电阻制备条件、多孔硅/硅复合感压膜厚度和均匀性控制、玻璃上导气孔加工工艺、阳极键合封接工艺及工艺整合。.研制的基于多孔硅材料的MEMS压阻式压力传感器芯片，采用多孔硅/硅复合平膜作为感压膜结构，分别测试了芯片的静态特性和温度特性（25℃，100℃，150℃）。在量程为100kPa时，灵敏度可以达到0.8mV/kPa，且线性度非常好，非线性最小为0.032%。芯片在100℃甚至150℃温度下，相对于25℃常温工作条件，零点和灵敏度的温度漂移很小，150℃时零点和灵敏度漂移系数分别可以达到0.015%/℃和-0.021%/℃。.从项目取得的研究结果来看，针对低量程应用的MEMS压力传感器芯片，采用多孔硅/硅复合平膜结构可以实现100kPa量程应用，通过进一步改变复合膜厚度，可以实现10kPa工作量程，由此避免了采用岛膜或梁岛膜复合结构研制低压量程芯片的工艺复杂性，同时有助于进一步实现批量化降低成本。.项目中发展的多孔硅材料的制备及与硅MEMS器件的工艺整合技术，有助于促进多孔硅材料在MEMS领域的相关应用。项目中研制的多孔硅MEMS压阻式压力传感器芯片，有望实现低量程（10kPa-100kPa）压力检测领域的实用化。项目后续发展思路是推进芯片的市场化进程。