2018年第37卷第10期综述与评论
传感器与微系统(Transducer and MicrosystemTechnologies）
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DOI:10.13873/J.10009787( 2018 )100001-04
微机械压力传感器残余应力研究进展与分析
刘沙皓伦，邢维貌，李昊霖，邹梦启
（北京航空航天大学仪器科学与光电工学院，北京100191）
摘要：对微机械压力传感器中的残余应力研究进展进行了综述。概述和总结了国内外微机械压力传感器的研究进展和存在间题，分析了残余应力对传感器的零点失调、零点温度系数、输出非线性和输出频率等方面的影响，总结了材料属性、加工温度等因素对残余应力的影响，展望了残余应力测量的发展和趋势。
指出可以通过结构设计的优化等方式控制或利用残余应力，达到提高稳定性的目的，关键词：微机械；压力传感器；残余应力；性能
中图分类号：TP212.1
文献标识码：A
文章编号：1000-9787(2018)10-0001-04
Researchprogress and analysis on residual stress in
micromechanical pressure sensor LIU Sha-hao-lun, XING Wei-wei, LI Hao-lin, ZOU Meng-qi
(School of Instrumental Science and Opto-electronics Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China) Abstract : Research progress on residual stress in mieromechanical pressure sensor is reviewed. Research progress and existing deficiencies of micromechanical pressure sensor at home and abroad are summarized. The influences of residual stress on sensors in aspect of zero offset, zero temperature coefficient, output nonlinear and output frequency are analyzed. Influence of material properties , processing temperature on residual stress is summarized. Development and trend of residual stress measurement are prospected. It is pointed out that residual stress can be
controlled or utilized through optimizing structure design in order to improve stability Keywords : micro-machine; pressure sensor; residual stress ; property
0引言
微机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)压力传感器的核心部分是其敏感结构，但由于结构和加工工艺的限制，器件中始终存在未知的残余应力，对测量造成很大的干扰。因此，对MEMS压力传感器中的残余应力进行研究并以此为基础优化传感器的结构，对提高稳定性有重要意义。本文对MEMS传感器中残余应力研究发展进行了综述，分析了残余应力对传感器性能的影响，总结了影响残余应力的因素，展望了未来残余应力测量的发展趋势。 1应力的研究现状
本文主要关注硅谐振式压力传感器。目前，我国民用高性能压力传感器的市场被国外公司垒断1-5]，某些领域的应用受到限制。国内外的产品差距16-8/主要是MEMS加工中会引人较大的残余应力。例如在淀积工艺中，薄膜和基底间材料失配会产生较大的热应力(9-11]；在键合工艺中，两晶面的热膨胀系数一般不同，由于温度的变化，键合晶面
收稿日期：2017-06-21
间会产生正应力（normal stress）、剪应力（shearing stress）和剥离应力（peelingstress）12.13)；在外延生长工艺中，衬底材料与外延层会产生错位，且随着外延层厚度的增加，应力也随之增大，会导致外延产生裂纹[14-16]。
根据国外MEMS谐振式压力传感器的研究进展，有关间题很可能已经解决但并未公开，而国内对于残余应力的研究却不够深人，差距明显，因此，残余应力的研究对提高
MEMS谐振式压力传感器的性能有重要意义。 2应力效应研究进展
2008年，ChiouJA等人(17]对薄膜微机械压阻式压力传感器中高残余应力导致的压力非线性输出问题进行了研究。利用曲率半径法计算氮化硅薄膜中的残余应力，并分析薄膜厚度与输出压力非线性度（pressure nonlinearity， PNL)的关系，给出了膜厚、氮化硅残余应力和压力非线性度三者之间的关系，为今后减小非线性度的设计优化提供了参考。