随着工业生产、航空航天、生物医疗等领域对压力监测提出更高要求，MEMS压力传感器正朝着高温适应、小型化和高可靠性方向发展。传统硅基压阻式压力传感器通常利用PN结实现压敏电阻与衬底之间的电隔离，但当工作温度超过125℃时，器件存在失效风险；与此同时，常用硅-硼硅玻璃阳极键合结构在高温下还会因材料热膨胀系数不同而产生热失配应力，进而影响器件的机械强度、气密性和长期稳定性。因此，如何兼顾耐高温性能、灵敏度、线性度、封装尺寸与可靠性，成为高温MEMS压力传感器设计中的关键问题。

针对上述问题，安徽大学、安徽北方微电子研究院集团有限公司的联合团队提出一种基于绝缘体上硅（SOI）的MEMS压阻式高温压力传感器，通过独特的E型膜结构设计与先进的硅-硅直接键合工艺，有效优化了传感器的灵敏度与线性度，并大幅降低了热失配应力。相关研究成果以“SOI全硅无引线MEMS高温压力传感器的设计”为题发表在《传感器与微系统》期刊上。

在敏感膜片结构方面，这项研究采用带中心质量块的E型膜结构。与工艺相对简单、适用于高量程测量的C型膜相比，E型膜虽然加工难度更高，但中心质量块能够提高膜片局部刚度，有助于提升灵敏度和抗过载能力，并减小非线性误差。通过仿真分析，研究人员最终确定了敏感膜片边长1200 μm、厚度15 μm，中心质量块边长500 μm、高度200 μm的最优设计方案。测试数据显示，在35 kPa压力载荷下，该尺寸的敏感膜片边缘中心等效应力约为29.40 MPa，中心挠度仅约0.64 μm，远小于膜厚的1/5，可同时满足灵敏度与线性度的双重性能要求。

图1 弹性膜片结构

图2 压力敏感芯片版图

压敏电阻方面，研究人员基于P型单晶硅[100]晶面的压阻效应，将电阻排布在膜片与中心岛边缘的应力集中区域，采用折弯形结构充分利用应力集中区，同时对电阻拐弯处进行重掺杂，抵消拐弯区域的负压阻效应；最终设计的压敏电阻阻值为2.4 kΩ，在5 V激励电压下可将单位面积功耗控制在安全阈值内，保障芯片长期工作的稳定性。

图3 芯片等效应力和电阻分布

在制备工艺方面，该传感器基于SOI晶圆，采用MEMS加工流程制备。核心创新在于采用氧化后的单晶硅替代硼硅玻璃，与芯片在350 ~ 400℃条件下完成低温硅-硅直接键合，凭借材料热膨胀系数的一致性大幅降低了热失配应力，有效提升了传感器的高温工作稳定性与使用寿命。

图4 压力敏感芯片制备工艺流程

此外，为了实现器件的小型化，这项研究引入了全硅无引线封装技术。相较于传统的封装工艺，该策略不仅有助于减小传感器体积，也可提升电气连接与封装的可靠性。

图5 无引线封装设计

综合性能测试结果显示，该设计方案取得了良好的预期效果。该传感器设计的压力测量范围为0 ~ 35 kPa，能够在-40 ~ 200°C的宽温区间内稳定运行，且满量程输出电压高于90 mV。

综上所述，这项研究通过在MEMS传感器中采用E型膜结构与全硅封装技术，有效解决了高温压力传感器在性能与尺寸方面的关键瓶颈。这一设计方案不仅验证了SOI材料在高温压力检测领域的应用潜力，也为开发小型化、高稳定性的工业级MEMS压力传感器提供了可行的技术路径。