低成本、高性能的小型化壓力傳感器一直是消費電子市場不斷追求的目標。研發高良率單芯片工藝來制造更小且更高性能的芯片是其中一種解決方案。近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所（簡稱：上海微系統所）傳感技術聯合國家重點實驗室李昕欣老師課題組在Journal of Micromechanics and Microengineering期刊上發表最新的MEMS傳感器研究成果——利用無疤痕微創手術（MIS）制造超小型MEMS壓力傳感器。該項研究的論文題目：Ultra-small pressure sensors fabricated using a scar-free microhole inter-etch and sealing (MIS) process，作者：焦鼎、倪藻、王家疇、李昕欣。
利用無疤痕微創手術工藝制造的絕對壓力傳感器芯片示意圖
該項研究論文展示了一種壓阻式絕對壓力傳感器芯片，大小僅為0.4mm × 0.4mm，每顆芯片制造成本低至1美分——目前全球最小尺寸、最低成本！研究人員利用體硅下薄膜技術（thin-film under bulk-silicon technique），在集成壓敏電阻的體硅梁島結構下方形成非常薄但均勻的多晶硅壓力傳感膜片。梁島加強結構有助于提升靈敏度、減小撓度、改善線性度。該壓力傳感器芯片采用一種新型的無疤痕微創手術（MIS）制造而成，并且該工藝與標準IC代工廠的工藝兼容，因此可有效降低成本。
壓敏電阻布局及用于壓力傳感的惠斯通電橋
在這項新開發的工藝中，密封結構不在多晶硅膜片區域，而是在多晶硅膜片周圍的單晶硅島和單晶硅框架上。所以，多晶硅膜片能夠保持平坦和光滑，從而提高了傳感器芯片性能和制造成品率。更重要的是，薄膜片梁島結構足夠小，因此可以制造出小至0.4mm × 0.4mm的傳感器芯片。由于每片6英寸晶圓可生產90000顆芯片，因此采用這種高良率工藝可實現極低的芯片制造成本：1美分。
這款超小型且低成本的MEMS壓力傳感器芯片的靈敏度為0.88 mV·kPa?1/3.3V、滯回系數為0.15%滿量程（FS）、可重復性誤差為0.04%滿量程（FS）、非線性系數為±0.10%滿量程（FS）。在沒有任何其它熱補償方法的情況下，研究人員對該壓力傳感器芯片在-25℃至+85℃溫度范圍內進行100 kPa的滿量程測試，結果表明該芯片的零點偏移溫度系數（TCO）為-0.064%/℃滿量程（FS）、靈敏度溫度系數（TCS）為-0.22%/℃。
表：利用無疤痕微創手術工藝制造的絕對壓力傳感器芯片測試結果
利用新型無疤痕微創手術工藝研發出的MEMS壓力傳感器芯片可滿足氣壓計或高度計的應用需求，有望獲得智能手機、無人機、智能手表和其它消費電子產品的青睞。
