基于弱耦合谐振器的MEMS真空传感器：兼具高性能和宽量程
2025-05-24 15:39:41   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

宽量程真空传感器（0.1–10⁵ Pa）对于多种应用至关重要，尤其是在半导体设备中。然而，现有的真空传感器往往需要在测量范围和精度之间做出权衡，一些传感器以低精度为代价提供宽量程；而另一些传感器则在有限量程内提供高精度。这限制了它们在先进技术中的适用性。主要挑战包括中真空下的灵敏度限制、低真空下的精度限制以及气体类型的依赖性。

据麦姆斯咨询报道，近日，中国科学院空天信息创新研究院王军波研究员团队提出了一种基于MEMS膜片的高性能、宽量程真空传感器，这种传感器体积小巧，且不受气体类型的影响。所提出的真空传感器基于双自由度、弱耦合谐振器（WCR）测量真空压力，具备两种不同的工作模式。在0.3 Pa至10³ Pa的范围内，真空传感器采用模态局部化（mode-localized）模式工作，利用振幅比作为输出，以提升灵敏度和分辨率；在10³ Pa至10⁵ Pa范围内，则切换至传统谐振模式，利用频率作为输出，以实现高精度测量。实验结果表明，该MEMS真空传感器的性能优于传统的真空传感器。上述研究成果以“A novel high-performance wide-range vacuum sensor based on a weak-coupling resonator”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

弱耦合谐振器与真空传感器的工作原理

弱耦合谐振器具有多个自由度，由不少于两个主谐振器和一个耦合结构构成。出于稳定性考虑，本研究采用了双自由度弱耦合谐振器。该谐振器的行为可用质量-弹簧-阻尼模型来描述，如图1a所示，其中k₁和k₂表示两个主谐振器的刚度，即Resonator1 (R1)和Resonator2 (R2)，k_c表示耦合结构的刚度。弱耦合谐振器在两种工作模式下的频率响应如图1b和1c所示。真空传感器的工作流程示意图如图1d所示。

图1 双自由度弱耦合谐振器的两种工作模式及真空传感器的工作流程示意图

弱耦合谐振器与真空传感器的设计

图2展示了弱耦合谐振器及所提出的真空传感器结构。如图2a所示，弱耦合谐振器由两个相同的H型双端音叉（H-DETF）谐振器和一个耦合结构构成。采用H-DETF谐振器和压阻检测技术显著提升了弱耦合谐振器的品质因数（Q值）和信噪比（SNR）。真空传感器根据膜片变形测量真空压力，如图2b所示。传感器结构如图2c所示。弱耦合谐振器封装在真空腔中，使其免受气体（非腐蚀性）的影响。硅通孔和焊盘用于传输电信号。考虑到测量灵敏度，膜片的设计值约为10.2 mm² × 80 μm，确保具备足够的抗过压能力。最后，该真空传感器采用MEMS体硅工艺制造完成。图2d显示了传感器的红外显微镜图像，图2e展示了芯片实物图，其体积仅为27.2 mm³，远小于MKS®（著名电容膜片真空计（CDG）制造商）产品（6.3 cm³）和其它硅基CDG（80 mm³）。

图2 弱耦合谐振器和真空传感器的结构

真空传感器的闭环控制

与采用开环配置的传感器相比，闭环配置的模态局部化传感器提供了更高的性能，这也适用于传统的谐振传感器。真空传感器在模态局部化模式和传统谐振模式下闭环控制的原理示意图分别如图3b和3c所示。

图3 两种工作模式的闭环控制方法示意图

0.3–10³ Pa压力测量

在−20 °C到120 °C的温度范围内，研究人员使用基于参考的测试设置对真空传感器进行了从0.3 Pa到10³ Pa的校准，所使用的参考传感器为商用CDG（INFICON® CDG025D-10Torr）。在此真空范围内，传感器以模态局部化模式工作，振幅比作为输出信号。测试结果如图4所示。测试结果表明，最大误差为1.99% RD（相对偏差），出现在100 Pa，明显小于皮拉尼（Pirani）真空计中观察到的误差。真空传感器可分辨的最小压力约为0.1 Pa（0.01% FS（满量程）），显示出闭环控制系统的高稳定性。

图4 真空传感器在模态局部化模式下的性能

10³–10⁵ Pa压力测量

在此压力范围内，真空传感器在传统谐振模式下工作，并以频率作为输出信号。测试温度范围为−20 °C到60 °C，结果如图5和图6所示。如图5b所示，以主谐振器R1为例，温度补偿后的真空测量误差小于0.01% FS，小于CDG的误差。如图6a和6b所示，主谐振器R1和R2的分辨率均小于2.0 Pa，显著优于皮拉尼真空计，且可与CDG相媲美。

图5 真空传感器在传统谐振模式下的性能

图6 真空传感器在传统谐振模式下的分辨率和时间漂移特性

小结

综上所述，这项研究提出了一种基于弱耦合谐振器（WCR）的新型高性能、宽量程MEMS真空传感器。研究人员建立了相应的理论模型，并提出了一种闭环方法以增强输出信号的稳定性。该传感器采用两种不同的工作模式来实现宽量程压力测量：模态局部化模式和传统谐振模式。在0.3–10³ Pa的压力范围内，传感器工作在模态局部化模式下。模态局部化现象增强了灵敏度，从而提升了下限检测能力和分辨率。实验测得的分辨率约为0.1 Pa，即使在120 °C的高温下，校准误差也仅为1.99% RD，远优于皮拉尼真空计。在10³–10⁵ Pa的范围内，两个主谐振器独立振动，类似于传统的谐振式压力传感器（RPS）工作方式。此模式下可达成2.0 Pa的分辨率，拟合误差仅为0.01% FS，在性能上优于皮拉尼真空计和电容膜片真空计。总之，本文所提出的MEMS真空传感器体积更小、性能更强、工作温度范围更广，为传统真空传感器提供了一种有前景的替代方案。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-00937-z

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