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- 研究人員研發(fā)出用于寬范圍真空壓力檢測的新型雙模式 MEMS 傳感器
- 來源:中國科學(xué)院 編輯:李亞麗 發(fā)表于 2025/7/18
中國科學(xué)院航空航天信息研究所(AIR)陳德勇教授和王俊波教授帶領(lǐng)的研究團隊開發(fā)出一種新型微型傳感器,該傳感器提高了真空壓力檢測的精度和測量范圍。相關(guān)研究成果發(fā)表在《微系統(tǒng)與納米工程》期刊上。
寬范圍真空傳感器在眾多高科技領(lǐng)域中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。例如,在半導(dǎo)體行業(yè),化學(xué)氣相沉積、等離子蝕刻等工藝都離不開精確的壓力控制。然而,現(xiàn)有傳感器技術(shù)面臨著測量范圍與精度難以兼顧的問題:皮拉尼真空計(Pirani gauges)測量范圍廣但精度不足,電容膜片真空計(CDGs)精度高卻范圍有限;而將兩種技術(shù)結(jié)合的復(fù)合傳感器則體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且對氣體類型敏感。
為解決這些問題,該團隊研發(fā)出一種微機電系統(tǒng)(MEMS)壓力傳感器。這種傳感器通過單個傳感元件,集成兩種諧振工作模式于同一芯片,可在六個數(shù)量級的范圍內(nèi)(0.3 帕至 100,000 帕)穩(wěn)定工作。在低壓環(huán)境(0.3 帕–1,000 帕)下,它采用 “模式局域化” 模式,能將微小的壓力變化放大為易于檢測的信號;在高壓環(huán)境(1,000 帕–100,000 帕)下,它會自動切換至傳統(tǒng)諧振模式,該模式具有高精度和高穩(wěn)定性的特點。
這種雙模式設(shè)計帶來了卓越的性能:在低壓環(huán)境下分辨率約為 0.1 帕,高壓環(huán)境下為 2.0 帕;校準(zhǔn)誤差極小 —— 低壓下 120°C 時相對偏差為 1.99%,高壓下滿量程偏差低至 0.01%。此外,它在–20°C 至 120°C 的寬溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)穩(wěn)定,且不受氣體類型影響。
所有這些功能都集成在一個體積僅為 27.2 立方毫米的緊湊型 MEMS 芯片中,遠小于傳統(tǒng)商用傳感器芯片(后者體積可能是其 200 多倍)。
這項研究為半導(dǎo)體制造、太空任務(wù)和高精度工程等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新思路。
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