Page 52 - 《真空与低温》2025年第3期

韩晓东等：温度对 MEMS 电容薄膜真空计测量性能的影响研究 323

mum relative deviation of 3.1% in output capacitance was observed for a 10 ℃ temperature change. Notably，the temperature-
induced error is pressure-dependent，with deviations amplifying or diminishing based on the measured pressure. These find-
ings establish a foundation for implementing robust temperature compensation in MEMS CDGs.
Key words：MEMS；capacitance diaphragm gauge；temperature effect；experimental study

0 引言 的影响，但该方法会使真空计的工作区域和测量区
域存在温度差，由此产生的热流逸效应引入了新的
电容薄膜真空计作为一种中低真空测量仪器，
具有准确度高、稳定性好、测量结果与气体成分无 测量误差 [11-12] 。对于 MEMS 电容薄膜真空计，硅和
玻璃具有不同的热膨胀系数，在键合封装时会导致
关的特点，在航空航天、半导体工业、真空计量等领
域广泛应用 [1-3] 。随着空间探测、智能制造等技术对 硅感压薄膜中存在应力，外界温度变化会引起感压
原位真空测量需求的日益增加，微小型化的电容薄 薄膜发生形变，导致真空计输出变化 [13-14] 。此外，
3
膜真空计成为研究热点 [4-5] 。微机电系统（MEMS） MEMS 电容薄膜真空计的整体尺寸小于 1 cm ，其
3
技术是电容薄膜真空计微小型化的主要途径之一， 绝压式密封参考腔容积小于 1 mm ，外界温度变化
MEMS 电容薄膜真空计基于单晶硅、玻璃等半导 会导致密封腔的参考压力变化，从而影响真空计对
体材料加工制作，质量轻（克量级）、体积小（小于 外界压力的测量，这种现象对真空计测量下限的影
[15]
3
1 cm ）、功耗低（毫瓦量级），相应参数比传统金属 响尤其显著 。而采用恒温控制法一方面会增加
电容薄膜真空计降低三个数量级。此外，与集成电 MEMS 电容薄膜真空计的体积，另一方面会大幅增
路兼容的制作工艺使其拥有大规模批量化生产的潜 大真空计的整体功耗。因此基于 MEMS 电容薄膜
力，能够在保持良好性能的同时降低生产成本，有 真空计的温度特性进行结构优化或软件算法修正
[16]
[6]
望替代传统金属电容薄膜真空计 。现有的 MEMS 成为其温度补偿的首选方案 。学者们针对 MEMS
电容薄膜真空计已具备高灵敏度、低功耗和良好 压力传感器的温度特性进行大量研究，但是多为压
长期稳定性的特征，但是，在成熟应用之前，仍有一 阻式及高压力电容式压力传感器 [17-19] ，用于中低真
些问题需要解决，比如温度对其性能的影响。 空测量的 MEMS 电容薄膜真空计的温度特性亟须
温度是影响电容薄膜真空计测量精度的主要 进一步研究。
因素之一 [7-8] 。对于传统金属薄膜及陶瓷薄膜电容 基于研制的 MEMS 电容薄膜真空计，本文利
薄膜真空计，压力敏感薄膜材料与真空计壳体材料 用理论计算研究温度对其测量性能的影响机制，并
热膨胀系数不同，温度变化会导致压力敏感薄膜发 通过实验对其温度特性进行测试评估。

生形变，从而导致真空计的输出发生漂移。针对这
1 理论分析
一问题，传统金属电容薄膜真空计采用恒温控制的
方法将真空计工作环境维持在特定温度（通常为 MEMS 电容薄膜真空计结构如图 1 所示，其中，
[9]
45 ℃） ，以此减少外界温度变化对真空计测量结 图 1（a）为未真空封装的传感器，即差压式 MEMS
[20]
[10]
果的影响，该方法可大幅度改善真空计零点漂移 。 电容薄膜真空计 ，图 1（b）为真空封装的传感器，
尽管恒温控制法能够在一定程度上消除环境温度 即绝压式 MEMS 电容薄膜真空计 。
[15]

玻璃
硅 硅 密封参考腔
薄膜边长 2a 薄膜边长 2a
厚度 h 感压薄膜 厚度 h 感压薄膜
电极间隙 d 电极间隙 d
固定电极引出电极 固定电极引出电极
玻璃 玻璃
（a）差压式 MEMS 电容薄膜真空计 （b）绝压式 MEMS 电容薄膜真空计

图 1 MEMS 电容薄膜真空计结构示意图
Fig. 1 Structure diagram of MEMS capacitive diaphragm gauge