辽宁大学开发高精度MEMS谐振式压力传感器，用于实时气压监测
2026-07-25 21:43:03 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
针对高精度压力测量的需求，研究人员设计并制造了一种基于静电激励和压阻检测的MEMS谐振式压力传感器，在实时气压监测、航空航天及工业控制等领域具有广阔的应用前景。
随着工业制造的持续优化与智能化升级，以及高空探测、高温油气开采等极端应用场景的不断拓展，全球对兼具超高精度与长期稳定性的压力测量仪器的需求日益迫切。在各类压力传感器中， MEMS谐振式压力传感器因其输出为数字频率信号，具有强电磁抗干扰能力，并能与数字系统实现无缝对接，因此被公认为精密压力测量的首选解决方案。
据麦姆斯咨询报道，近期，辽宁大学王识宇副教授、王绩伟教授等人开发了一种基于静电激励和压阻检测的高精度MEMS谐振式压力传感器。该传感器采用对称的双端固定梳齿驱动谐振器结构，通过交替静电力驱动其在固有频率下稳定振动。集成在谐振梁根部的压阻器将机械振动转换为频率输出，从而实现精确的外部压力测量。这项工作为高精度、高稳定性的谐振式压力传感器提供了一种有效的技术，在实时气压监测、航空航天和工业控制等领域具有广阔的应用前景。相关研究成果以“High-Precision MEMS Resonant Pressure Sensor for Real-Time Barometric Monitoring”为题发表在Micromachines期刊上。
在这项工作中，研究人员设计了一种高精度MEMS谐振式压力传感器，采用模块化系统架构，主要由三个功能模块组成：MEMS谐振式压力传感模块、激励/拾取与MCU核心处理模块、通信输出模块。系统框图如下图所示。在系统运行过程中，激励电路驱动MEMS谐振式压力传感模块内的谐振器以产生稳定的机械振动。拾取电路实时检测该振动频率并将其转换为电信号。当外部压力作用于传感模块时，谐振器的固有频率相应地发生偏移。MCU核心处理模块采集频率信号并进行计算，从而反演确定施加的压力值。最后，计算结果通过通信输出模块经RS485接口（Modbus协议）传输到交互式输出终端，实现数据显示、参数配置和系统监控等用户交互功能。
MEMS谐振式压力传感系统的整体架构示意图
研究人员设计并制造了一种基于绝缘体上硅（SOI）晶圆技术的MEMS谐振式压力传感模块。其核心结构由三个自上而下排列的部件组成：SOI传感芯片、带有预蚀刻空腔的玻璃基板、金属管壳。详细的制造工艺流程如下图所示。
MEMS谐振式压力传感模块的详细制造工艺流程
MEMS谐振式压力传感模块的整体结构
使用Keysight E5061B网络分析仪对MEMS谐振式压力传感器进行了频率扫描测试，以确定其固有谐振频率范围。基于综合测试结果和分析，在当前测试条件下，该MEMS谐振式压力传感模块的固有谐振频率范围约为20-35 kHz。这一结果为后续在压力-频率响应特性分析中激励信号频率的合理选取提供了重要依据，从而确保传感器在其工作频率范围内具有稳定且高灵敏度的输出响应。
实验结果表明，该静电激励-压阻检测MEMS谐振式压力传感器在-30 °C-50 °C的工作温度范围内，在0-350 kPa的压力范围内实现了0.009% FS（满量程）的精度。该压力传感器还显示出小于0.008% FS的重复性误差，表现出优异的测量精度和温度鲁棒性。
MEMS谐振式压力传感器的压力-频率响应表征
此外，研究人员还进行了为期一周的实时大气压监测实验。结果表明，与中国气象局提供的中国沈阳参考大气压数据相比，平均绝对百分比误差小于0.05%。这一结果证实了该MEMS谐振式压力传感系统在实际大气压测量中的高精度和可靠性。
大气压测量实验
总而言之，针对高精度压力测量的需求，研究人员设计并制造了一种基于静电激励和压阻检测的MEMS谐振式压力传感器。实验结果表明，在-30°C至50°C的工作温度范围内，该传感器在0-350 kPa的压力范围内均表现出良好的测量精度（0.009% FS）和优异的可重复性（≤0.008% FS）。这项研究为高精度、高稳定性的MEMS谐振式压力传感器提供了系统级解决方案，在实时气压监测、航空航天及工业控制等领域具有广阔的应用前景。
论文链接：https://doi.org/10.3390/mi17060717
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《安费诺NovaSensor压力传感器芯片P883产品分析》