适用于极端环境的MEMS传感器研究进展

张亮亮，胡腾江，李 村，赵玉龙

（西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室，西安 710049）

1 引 言

MEMS 传感器是采用微电子和微机械加工技术制造出来的新型传感器。与传统的传感器相比，它具有体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、精度高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化等优点，在航空航天、船舶、潜艇、兵器工业、无人机系统、自动驾驶、智能机器人、石油化工等领域的应用日趋广泛[1-4]。MEMS 传感器的优势使其能够在高温、高压、高过载、高旋转、油气、腐蚀等极端环境中使用[5-7]。本文着重介绍适用于极端环境的大量程MEMS 高温高压传感器、MEMS 高g值加速度传感器和高精度石英谐振加速度传感器。

2 大量程MEMS 高温高压传感器

当钻井设备在油气田深层地下持续作业时，针对井下高温高压环境下的压力监测成为当前石化工业安全保障的重中之重。在油气井连续作业生产的过程中，稳定可靠的压力传感器是安全生产的有力保障，压力传感器在设计之初应首要注重其设计的稳定性和可靠性。在稳定可靠的基础上，提高压力传感器的综合性能是石化行业生产的更高要求，传感器的量程越大，测量灵敏度、线性度及精度等指标越高，对环境变化监测的范围越广，准确性就越高[8]。

针对油气田井下高温高压环境的检测需求，基于MEMS 微加工技术研制了大量程高温高压传感器。研制的传感器采用压阻敏感机理和SOI技术。采用SOI 材料制成的集成电路具有寄生电容小、集成密度高、速度快、器件工作温度范围大、工艺简单、抗辐射性能高、短沟道效应小等优势，且SIMOX 技术的引入解决了传统体硅压阻式传感器芯片在高温下因P-N 结漏电流增大而失效的问题，适合高温传感器的制作[9-10]。

为了解决传感器的大量程测量问题，采用增加膜片厚度、缩小膜片尺寸、采用矩形厚膜结构等思路设计了如图1 所示的传感器芯片。在所设计的压力传感器芯片中，传感器的敏感膜结构由位于芯片中心的矩形厚膜形成；膜上压敏电阻采用中心排布的方式，电阻方向一致平行于矩形膜短边方向排列；4 组桥臂压敏电阻由金属引线连接组成惠斯通电桥检测电路。这种设计首先采用了矩形膜结构以提高传感器的承压能力和输出灵敏度；其次增加了膜片厚度，大幅提升了传感器的耐压能力，提高了测量量程与结构稳定性。

图1 大量程MEMS 高温高压传感器芯片设计图Fig.1 Design drawing of high temperature pressure sensor chip for wide measurement range

研究中选用了525 μm 厚度的SOI 结构晶圆作为传感器芯片加工的初始材料，所设计的传感器芯片外尺寸为4000 μm×4000 μm×525 μm，矩形厚膜结构的敏感单元尺寸为1000 μm×500 μm ×300 μm，腔体腐蚀倾角 54.7°，腔体底面尺寸818 μm×1318 μm。材料属性：弹性模量为 1.3 ×1011Pa，泊松比为0.28。利用ANSYS 软件对所设计的传感器芯片整体进行有限元仿真得到的矩形膜片在150 MPa 压强下的受力分析情况，由图2 所示，传感器芯片上的最大应力出现在矩形膜片背腔长边侧壁的中点处，最大应力达到417 MPa，符合硅材料的设计强度要求，同时符合传感器耐压621 MPa 的设计。传感器芯片正表面上的最大应力达到155.3 MPa，芯片整体产生的最大挠度为1.391 μm。

图2 大量程MEMS 高温高压传感器芯片有限元仿真图Fig.2 Finite element simulation of high temperature pressure sensor for wide measurement range

加工的大量程MEMS 高温高压传感器芯片实物图如图3 所示。将矩形膜结构与厚膜结构相结合的设计思路在提升传感器测量量程的同时， 大幅提高传感器测量灵敏度，以达到耐高压压力传感器的设计要求[11]。

图3 大量程MEMS 高温高压传感器芯片实物图Fig.3 Physical pictures of high temperature pressure sensor chips for wide measurement range

对所采用的压阻式传感器的压阻效应受温度变化影响较大的特点，采用了SOI 结构硅片和复合型梁式引线技术及隔离封装结构，解决了压阻式压力传感器在高温环境下工作失效的问题。测试实验所采用的压力源为CW-2500T 型活塞式压力计，供电采用3 mA 恒流源供电，将传感器在高温恒温箱中加热至200 ℃并保持1 h 后，对传感器进行打压测试实验，测试压力范围为 0～ 150 MPa。传感器的输出特性曲线如图4 所示，表1 为实际测试结果，经过计算，线性度误差0.13%FS；输出灵敏度为1.12 mV/MPa[12]。

图4 大量程MEMS 高温高压传感器测试结果Fig.4 Testing results of high temperature pressure sensor for wide measurement range

表1 大量程MEMS 高温高压传感器测试数据Table 1 Testing data of high temperature pressure sensor for wide measurement range

本课题组研制的大量程MEMS 高温高压传感器不仅能测试油气井的压力，也可以满足航空航天、国防安全等领域中的高温高压测量需求。在下一步的工作中，还可以针对传感器敏感单元的结构和尺寸进行进一步的分析和优化，并对传感器温度补偿技术进行深入研究，提高传感器的量程和温度适用范围。

3 MEMS 高g 值加速度传感器

侵彻武器主要用于打击地下目标、重要设备、飞机掩体、仓库等具有坚固掩体的目标。在武器的侵彻过程中，当冲击到不同掩体的材料时产生的加速度值是不同的，加速度传感器将加速度信号转化为电信号并反馈至引信系统的信号处理单元，信号处理单元经过识别和运算，计算武器侵彻深度并与设定值对比判断是否引爆，从而使得侵彻武器的打击效果最大化。侵彻武器冲击硬质目标时往往会产生很大的加速度，其值一般为重力加速度的数万倍甚至数十万倍，这就要求检测加速度信号的传感器必须具有体积小、量程大、高过载、可靠性高的特点，采用MEMS 技术制作的高g值加速度传感器可以满足此类需求[13-16]。

本课题组在高g值加速度传感器研究方面取得了一定成果，先后研制了具有双端固支结构、单端悬臂结构和梁膜结合结构的高g值传感器，设计量程高达200000g，灵敏度达到5.4 µV/g，实际弹载测试结果显示在弹体侵彻过程中，传感器未发生失效，且成功地测取了弹体高速侵彻硬目标过程中的加速度信号[17-18]。

本课题组在2020年提出了一种无质量块式新型复合梁结构的高g值传感器，其敏感结构基于四梁结构制作，并进行相应的改进，如图5 所示。加速度传感器芯片敏感结构采用一种新型的复合梁结构，同时具有膜结构的高抗冲击特性和梁结构的高灵敏度特性，整条梁厚度一样即不设置质量块，提高了传感器的抗冲击能力和固有频率。同时，为了提高传感器的灵敏度，敏感梁采用变尺寸设计，即梁的固支端尺寸小于四梁交汇处的中间部分尺寸，使梁的应力集中在根部，在一定程度上提高了传感器的灵敏度[19]。

图5 MEMS 高g 值加速度传感器芯片设计图Fig.5 Design drawing of MEMS high g accelerometer chip

设计的传感器芯片整体尺寸为3 mm×3 mm ×0.85 mm，复合梁尺寸为1000 μm×300 μm×80 μm，平衡端尺寸为500 μm×500 μm×80 μm。使用SolidWorks 软件对传感器芯片结构进行建模，并将其导入到ANSYS 软件当中，定义材料属性为各向异性硅，设定弹性模量和泊松比，并划分网格。然后对模型分别施加约束和载荷，施加的加速度载荷分别为150000g，方向为Z方向，然后将模型进行求解，观测到模型在上述加速度冲击下的应力分布如图 6(a)所示，梁上最大应力为17 MPa，能够满足150000g的冲击要求而不被破坏，具有较好的抗过载能力，可以认为设计的传感器芯片能够满足测量量程和过载冲击下的强度要求。采用ANSYS 仿真软件对传感器芯片进行模态分析，一阶模态图如图6(b)所示，其固有频率为633 kHz。

图6 MEMS 高g 值加速度传感器芯片有限元仿真图Fig.6 Finite element simulation of MEMS high g accelerometer chip

研究采用Pt-Ti-Pt-Au 多层欧姆接触和金属引线，封装采用全金属壳体封装类型，以避免测试过程中的电磁干扰。加工的高g值加速度传感器实物图如图7 所示。

图7 MEMS 高g 值加速度传感器芯片实物图Fig.7 Physical pictures of MEMS high g accelerometer chip

通过霍普金森杆试验对高g值加速度传感器进行测试，测试时首先将气枪气压调节为0.2 MPa，在此气压下入射杆上产生的加速度值约为100000g，传感器的输出电压信号如图8(a)所示，输出电压约为107 mV，加速度信号单个脉冲持续时间约为20 μs，表明传感器的工作频率高于50 kHz；将气枪气压调节为0.3 MPa，入射杆上 产生的加速度信号约为150000g，传感器的输出电压信号如图8(b)所示，从图中可以看出，该加速度信号脉冲宽度为2 μs，其加速度信号频率超过了500 kHz，由于频率过高，制作的传感器及其测试电路系统已经不能准确测量加速度信号，但是输出波形表明传感器并未损坏，在150000g的加速度冲击后，仍然可以恢复零位平衡。可见，传感器的灵敏度达到1.06 µV/g，可测加速度信号脉冲时间小于0.02 ms，响应频率较高，在侵彻武器领域具备较好的应用前景[20]。

图8 高g 值加速度传感器试验数据图Fig.8 Response curve of high g accelerometer

图9 是实验基地侵彻武器的实验结果，加速度会随着阻力的变化而变化。加速度的时间历程也表明穿透时间约为2.06 ms。所以平均每个加速度冲击脉冲的宽度约为0.147 ms；冲击脉冲的频率为21.4 kHz。根据表2 的数据，21.4 kHz 远小于加速度传感器结构的第一固有频率（213.53 kHz）。这证明了有限元模拟的结果是正确的，加速度计成功地获得了加速度计的动态响应影响信号。

图9 高g 值加速度传感器现场实验数据Fig.9 Testing curve of the high g accelerometer in the live-fire test

表2 石英谐振加速度传感器测试数据Table 2 Testing data of high precision quartz resonant accelerometer

本课题组研制的大量程MEMS 高g值加速度传感器可以满足侵彻武器高g值、高过载的应用需求。在下一步的工作中，一方面由于传感器敏感结构的最大应力远远低于硅材料的许用安全应力，因此可以在优化设计芯片的敏感结构时，在保证传感器安全应用的前提下提高传感器的灵敏度；另一方面，高加速度冲击下部分损坏的传感器多是由于封装结构被破坏而芯片保持完好，因此在后续的研究工作中需要改进封装结构的类型，来提高传感器的工作性能和可靠性。

4 高精度石英谐振加速度传感器

谐振式加速度传感器输出与加速度相关的频率信号，具有灵敏度大、精度高和噪声低等特点，抗干扰性强，在信号传输过程中有较高的稳定性。谐振式加速度传感器最主要的应用是与微陀螺、原子钟等组成微型惯导集成系统，集合定位、导航和授时能力（PNT），利用MEMS 技术开发高稳定性、高精度的惯性测量装置，实现极端小型化系统，适应不同的复杂环境需求，解决卫星导航系统的脆弱性产生的位置服务与应用受限问题，当卫星信号衰退或被阻断、干扰时，提供可靠、高精确度的定位导航技术支持[21-24]。作为微型惯性导航集成系统中的重要组成部分，谐振式微加速度传感器不需要模数转换就能够直接嵌入导航系统，可以提高加速度的测量精度，因此广泛地应用于微惯性导航系统[25]。

本课题组提出了采用硅与石英结合的谐振式加速度传感器方案，如图10 所示。研究中采用单晶加工质量弹簧系统，石英晶体加工谐振器，两者通过微装配组合成新型的谐振式加速度传感器，充分利用硅优良的微加工性和石英的高品质因数与逆压电特性。研究了应用于此类传感器的石英谐振器，采用双端固定音叉结构，叉齿上的激励电极采用四面布置方案并且在振梁长度上呈三段式分布，用于激励音叉的同平面相反相位振动模式。同时，提出了双音叉同平面内的推拉式差动结构。双音叉差动式结构解决了硅与石英热膨胀系数不同和石英谐振器的温度敏感性引起的传感器温漂以及硅与石英微装配和封装引起的残余应力等问题，同时推拉式方案减小音叉的弯曲变形可以提高传感器的线性度[26-27]。

图10 高精度谐振加速度传感器芯片设计图Fig.10 Design drawing of high precision quartz resonant accelerometer

对于提出的差动式传感器结构，简化后的传感器受力模型如图11 所示。传感器受到加速度载荷时，施加在惯性质量块上的惯性力F=ma引起柔性支撑梁的弯曲变形和音叉的拉压变形，m为惯性质量块的质量，a为加速度载荷。柔性支撑梁和音叉的受力分析如图11 所示。经过计算，柔性支撑梁的尺寸为4470 μm×200 μm×500 μm，石英音叉的尺寸为3700 μm×900 μm×100 μm，惯性质量块的质量为0.1255 g。

图11 石英谐振加速度传感器芯片结构的力学模型Fig.11 Mechanical model of chip structure of high precision quartz resonant accelerometer

采用重力场翻滚的实验方式对谐振式加速度传感器进行标定，将传感器固定在高精度分度头上，当分度头从0°旋转到360°时，固定于分度头上的传感器的敏感方向与重力加速度夹角发生变化，施加在传感器敏感方向上的加速度载荷按照三角函数规律从1g变化到-1g再变回1g。实验得到的传感器两根音叉输出频率的差值随转盘转动角度的结果如图12 所示，测得的具体输出数据如表2 所示。

图12 高精度石英谐振加速度传感器的试验结果Fig.12 Testing results of high precision quartz resonant accelerometer

经过计算，传感器的灵敏度为6.317 Hz/g，±1g实验范围内传感器的非线性度为0.26%FS，迟滞为0.09%FS，重复性误差为0.14%FS，基本精度为0.67%，分辨力约为11 mg，具有较高的精度[28]。

本课题组研制的高精度石英谐振加速度传感器不仅能应用于惯性导航制导领域，也可以满足无人飞行器、无人潜水器、武器稳姿稳瞄等领域的测试需求。在下一步的工作中，一是进行单片全石英结构的谐振加速度传感器研究，既能避免分体式传感器微组装引入的工艺误差和精度下降，又能提高传感器的良品率和可靠性[29]；二是设计杠杆放大机构，减小音叉尺寸，进一步提高灵敏度[30]；三是研究满足频率带宽要求的振动隔离系统降低非共模振动对传感器的干扰；四是提高芯片的真空封装工艺和音叉的加工工艺，进而提高传感器的品质因数和精度。

5 结 论

本文介绍了适用于极端环境的大量程高温高压传感器、MEMS 高g值加速度传感器、高精度石英谐振加速度传感器的应用背景、设计思路和方案、结构优化设计、传感器的加工、测试及下一步研究的方向，为高性能特种MEMS 传感器的研究提供了参考。航空航天、国防安全、石油化工等领域的不断发展，对传感器的应用环境和性能指标提出了更高的需求。可以预见，适用于极端环境的MEMS 传感器必将得到进一步的高速发展。