上海微系统所研发全球最小最便宜的MEMS压力传感器芯片

低成本、高性能的小型化压力传感器一直是消费电子市场不断追求的目标。研发高良率单芯片工艺来制造更小且更高性能的芯片是其中一种解决方案。据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所(简称：上海微系统所)传感技术联合国家重点实验室李昕欣老师课题组在Journal of Micromechanics and Microengineering期刊上发表最新的MEMS传感器研究成果——利用无疤痕微创手术(MIS)制造超小型MEMS压力传感器。该项研究的论文题目：Ultra-small pressure sensors fabricated using a scar-free microhole inter-etch and sealing (MIS) process，作者：焦鼎、倪藻、王家畴、李昕欣。

利用无疤痕微创手术工艺制造的绝对压力传感器芯片示意图

该项研究论文展示了一种压阻式绝对压力传感器芯片，大小仅为0.4mm × 0.4mm，每颗芯片制造成本低至1美分——目前全球最小尺寸、最低成本!研究人员利用体硅下薄膜技术(thin-film under bulk-silicon technique)，在集成压敏电阻的体硅梁岛结构下方形成非常薄但均匀的多晶硅压力传感膜片。梁岛加强结构有助于提升灵敏度、减小挠度、改善线性度。该压力传感器芯片采用一种新型的无疤痕微创手术(MIS)制造而成，并且该工艺与标准IC代工厂的工艺兼容，因此可有效降低成本。

压敏电阻布局及用于压力传感的惠斯通电桥

在这项新开发的工艺中，密封结构不在多晶硅膜片区域，而是在多晶硅膜片周围的单晶硅岛和单晶硅框架上。所以，多晶硅膜片能够保持平坦和光滑，从而提高了传感器芯片性能和制造成品率。更重要的是，薄膜片梁岛结构足够小，因此可以制造出小至0.4mm × 0.4mm的传感器芯片。由于每片6英寸晶圆可生产90000颗芯片，因此采用这种高良率工艺可实现极低的芯片制造成本：1美分。

利用无疤痕微创手术制造绝对压力传感器芯片的工艺流程

利用无疤痕微创手术工艺制造的绝对压力传感器芯片SEM图

这款超小型且低成本的MEMS压力传感器芯片的灵敏度为0.88 mV·kPa?1/3.3V、滞回系数为0.15%满量程(FS)、可重复性误差为0.04%满量程(FS)、非线性系数为±0.10%满量程(FS)。在没有任何其它热补偿方法的情况下，研究人员对该压力传感器芯片在-25℃至+85℃温度范围内进行100 kPa的满量程测试，结果表明该芯片的零点偏移温度系数(TCO)为-0.064%/℃满量程(FS)、灵敏度温度系数(TCS)为-0.22%/℃。

表：利用无疤痕微创手术工艺制造的绝对压力传感器芯片测试结果

利用新型无疤痕微创手术工艺研发出的MEMS压力传感器芯片可满足气压计或高度计的应用需求，有望获得智能手机、无人机、智能手表和其它消费电子产品的青睐。