研究人员研发出用于宽范围真空压力检测的新型双模式 MEMS 传感器

中国科学院航空航天信息研究所（AIR）陈德勇教授和王俊波教授带领的研究团队开发出一种新型微型传感器，该传感器提高了真空压力检测的精度和测量范围。相关研究成果发表在《微系统与纳米工程》期刊上。

宽范围真空传感器在众多高科技领域中发挥着关键作用。例如，在半导体行业，化学气相沉积、等离子蚀刻等工艺都离不开精确的压力控制。然而，现有传感器技术面临着测量范围与精度难以兼顾的问题：皮拉尼真空计（Pirani gauges）测量范围广但精度不足，电容膜片真空计（CDGs）精度高却范围有限；而将两种技术结合的复合传感器则体积庞大、结构复杂，且对气体类型敏感。

为解决这些问题，该团队研发出一种微机电系统（MEMS）压力传感器。这种传感器通过单个传感元件，集成两种谐振工作模式于同一芯片，可在六个数量级的范围内（0.3 帕至 100,000 帕）稳定工作。在低压环境（0.3 帕–1,000 帕）下，它采用 “模式局域化” 模式，能将微小的压力变化放大为易于检测的信号；在高压环境（1,000 帕–100,000 帕）下，它会自动切换至传统谐振模式，该模式具有高精度和高稳定性的特点。

这种双模式设计带来了卓越的性能：在低压环境下分辨率约为 0.1 帕，高压环境下为 2.0 帕；校准误差极小 —— 低压下 120°C 时相对偏差为 1.99%，高压下满量程偏差低至 0.01%。此外，它在–20°C 至 120°C 的宽温度范围内表现稳定，且不受气体类型影响。

所有这些功能都集成在一个体积仅为 27.2 立方毫米的紧凑型 MEMS 芯片中，远小于传统商用传感器芯片（后者体积可能是其 200 多倍）。

这项研究为半导体制造、太空任务和高精度工程等领域的应用提供了新思路。

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