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2025

光学精密工程·封面 | 双向高过载硅基压差敏感元件的研制

作者：

《光学精密工程》2025年第33卷第2期

导读

微机电系统（Micro-Electro-Mechanical System，MEMS）硅基差压传感器因其结构紧凑、易于集成、性能好、可靠性高和成本低等特点，已成为应用最广泛的压力传感器之一。差压敏感元件是差压传感器的核心零部件。然而，在航空航天、石油化工、海洋科学等恶劣环境中，差压敏感元件所检测的压力常常会远超其量程，进而不可避免地导致过载失效。

针对该问题，大连理工大学的杜立群等在《光学精密工程》（中国科技期刊卓越行动计划二期支持期刊、EI、Scopus收录，中文核心期刊，《仪器仪表领域高质量科技期刊分级目录》和《光学和光学工程领域高质量科技期刊分级目录》“T1级”期刊）上发表了题为“双向高过载硅基差压敏感元件的研制”的封面文章。

梁-群岛错位膜结构差压敏感元件

本文设计了一种梁-群岛错位膜结构差压敏感元件，如图1所示。该敏感元件由梁-群岛硅膜结构和玻璃基底键合而成。其中，梁结构降低了应力集中，群岛结构提高了结构刚度；玻璃基底键合面设计有方形凹槽和圆形通孔，硅膜结构和玻璃基底的方形凹槽形成的错位结构进一步降低了最大应力。

错位间距对过载能力的影响

本文通过力学仿真探究错位间距对过载能力的影响。图2为错位间距Δ的尺寸仿真结果，当错位间距Δ = 0时，最大应力σ_max远大于最大纵-横应力之差σ_{s max}，差压敏感元件的过载系数ρ较小，过载能力较差。当硅膜和玻璃基底方形凹槽形成错位后，最大应力σ_max明显降低，而最大纵-横应力之差σ_{s max}变化较小，所以差压敏感元件的过载系数ρ较无错位时明显提升。当错位间距Δ分别为100、200、300、400 μm时，差压敏感元件的过载系数ρ变化较小。图4显示了有、无错位时的应力分布，图中的模型为梁-群岛错位膜结构差压敏感元件的四分之一模型。从中可以看出：当存在错位时，最大应力σ_max从硅膜边缘中点转移到梁根部，使得最大应力σ_max和最大纵横应力之差σ_{s max}处于同一区域，过载能力得到提高。

图2：错位间距Δ的尺寸仿真结果。

图3：有、无错位时的应力分布。

测试结果

分别对梁-群岛错位膜结构（BADMS）和C型膜结构（CTMS）的结构面与底面施加压力，取两面爆破压力最小值为该差压敏感元件的爆破压力，爆破压力测试结果如图4所示。由图4可知：梁-群岛错位膜结构差压敏感元件的爆破压力为0.85MPa（结构面爆破压力0.85 MPa，底面爆破压力1.08 MPa），C型膜结构差压敏感元件的爆破压力为0.65 MPa（结构面爆破压力0.65 MPa，底面爆破压力0.87 MPa）。

图4：爆破压力测试结果。

工程应用前景

该研究提出了一种梁-群岛错位膜结构差压敏感元件，探究了错位间距、硅膜几何尺寸对差压敏感元件过载能力的影响，通过MEMS工艺实验制作并进行爆破压力测试验证，对压力传感器的过载研究具有一定的指导意义。

作者简介

杜立群，博士，大连理工大学教授，博士生导师，大连市高层次人才，2011年入选辽宁省百千万人才工程“百人层次”。2000.10—2002.9期间在日本名古屋大学师从福田敏男教授从事博士后研究。长期从事于电化学加工的基础理论与应用技术方面的研究工作。先后主持国家重点研发计划课题项目、国家自然科学基金项目、留学回国人员启动基金项目、大连市科技计划项目等纵向项目及横向项目30余项。以第一作者/通讯作者发表学术论文180余篇，以第一发明人授权中国发明专利20余项。获得省部级科研奖励二等奖3项，获得辽宁省政府科学技术进步奖1项，获得辽宁省自然科学学术成果奖3项。

E-mail:duliqun@dlut.edu.cn

论文信息

杜立群,李奥奇,李蒙等.双向高过载硅基差压敏感元件的研制[J].光学精密工程,2025,33(02):209-219.

https://ope.lightpublishing.cn/zh/article/doi/10.37188/OPE.20253302.0209/

参考文献

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2. SABHAPANDIT E， JINDAL K S， KANEKAL D， et al. 圆形硅膜片上条纹压阻式 MEMS 压力传感器的数值模拟：基于有限元方法的研究[J].纳米， 2023， 18：4.

3. 陈玉军，徐群，张晓群，等.高温压力传感器的材料与传感机理研究进展[J].IEEE 传感器杂志， 2023， 23（22）： 26910-26924.

4. 杨 Y，戴志华，陈 Y，等.海洋物理学新兴 MEMS 传感器的原理、材料与应用[J].应用物理评论， 2024， 11（2）： 021320.

团队介绍

大连理工大学杜立群教授团队依托“高性能精密制造全国重点实验室”，深耕MEMS技术，围绕航空航天、国防安全、微电子、生物医学、精密机械等领域的国家重大战略装备与高性能器件的应用需求，在金属微器件的电化学加工、金属微器件UV-LIGA加工、微模具制造、硅基压力传感器等方面取得了多项重要的原创成果。