Page 54 - 《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 325

的复合体。根据 Stoney 公式，在外界温度作用下， 商用电容薄膜真空规（测量上限分别为 133 Pa 和
由于硅薄膜和玻璃基底热膨胀系数不匹配造成的 133 kPa）检测腔内的真空度。真空腔通过微调阀
结构弯曲变形的曲率可表示为 [25-26] ： 和减压阀与氮气瓶相连，负责为腔体提供高压力气
1 E s h s 1−ν g 源。整个真空腔置于温度控制箱内，温度控制范围
= 6 (α g −α s )∆T （6）
R 1−ν s E g h 2 可由−20～100 ℃，控制精度为±0.1 ℃。测试分两
g
式中：R 为曲率半径；E s 、E g 、h s 、h g 、v s 、v g 分别硅和 部分进行，第一部分为 MEMS 电容薄膜真空计零
玻璃的杨氏模量、厚度、泊松比；α s 、α g 度分别为硅 点测试，第二部分为 MEMS 电容薄膜真空计全量
和玻璃的热膨胀系数。温度低于 150 ℃ 时，硅的热 程温度性能测试。在 MEMS 电容薄膜真空计零点
膨胀系数小于玻璃的热膨胀系数 ，若 ΔT 为正值，
[27]
测试中，利用分子泵组对真空腔进行抽气到本底状
即温度升高时，根据式（6）可知，整个结构的曲率为
态并维持抽气，此时真空腔内的压力稳定维持在
正值，这说明在温度升高时，整体结构表现为向上 −4
1×10 Pa。在该状态下，记录真空计在室温（约为
弯曲，即玻璃基底向外凸起，硅薄膜呈现凹面。基
25 ℃）时的输出电容值，接着调教温度控制箱使温
于 MEMS 电容薄膜真空计敏感电容结构，当薄膜
度由室温上升至 50 ℃，记录该过程中 MEMS 电容
向内凹陷时，薄膜与固定电极之间的间隙减小，这
薄膜真空计的输出电容值与温度计的温度值。在
会导致输出敏感电容增大。对于绝压式 MEMS 电
MEMS 电容薄膜真空计全量程温度性能测试中，首
容薄膜真空计，其结构由玻璃-硅-玻璃三层组成，
先利用分子泵组将真空腔抽至本底状态，将温度控
最上层的玻璃尺寸比最下层的玻璃小，且与感压薄
制箱中的温度分别控制在−20 ℃、0 ℃、20 ℃、30 ℃、
膜的距离比与下层玻璃的远，因此其整体结构的变
50 ℃，当温度稳定后，关闭泵组与真空腔之间的
形趋势与下层玻璃和硅薄膜结合体的变形趋势相
截止阀，通过微调节阀向真空腔内进气，在 1 Pa 至
同。因此，温度升高同样会使得绝压式 MEMS 电
101 kPa（大气压）范围内依次取固定的压力点，当
容薄膜真空计的输出电容增大。

真空腔内的压力稳定在这些点时，记录 MEMS 电
2 实验测试
容薄膜真空计的输出电容值与温度计的温度值。
基于研制的绝压式 MEMS 电容薄膜真空计，
[15]
开展其温度特性实验研究 ，进一步验证理论分析 电容薄膜规 1 电容薄膜规 2
（133 kPa）
（133 Pa）
结论。封装完成的绝压式 MEMS 电容薄膜真空计
及测试工装如图 2 所示，温度计紧贴真空计安装， 温度控制箱
真空腔 复合
确保真空计所处环境温度的准确测量和记录。 MEMS 电容 真空规
调节阀 薄膜真空计
及温度计
温度计 电路及控制
减压阀 系统
截止阀

分子泵
氮气瓶

MEMS 电容薄膜真空计 机械泵
（a）封装好的绝压式 MEMS （b）待测试的 MEMS 电容薄膜
电容薄膜真空计 真空计及原位温度计
图 3 MEMS 电容薄膜真空计温度特性测试系统结构示意图
图 2 绝压式 MEMS 电容薄膜真空计
Fig. 3 Temperature testing system of MEMS capacitive
Fig. 2 Absolute type MEMS capacitive diaphragm gauge
diaphragm gauge

图 3 为温度特性测试系统示意图，图 2（b）的
3 结果与讨论
MEMS 电容薄膜真空计及温度计测试工装置于真
空腔内，通过线路与外界电路及控制系统相连。 在实际测试中，选用 2 个不同的绝压式 MEMS
真空腔通过机械泵与分子泵泵组进行抽气，利用 电容薄膜真空计进行温度性能测试，分别标记为
5
−5
一个复合真空规（测量范围 10 ～10 Pa）以及两个 MEMS CDG1 和 MEMS CDG2，2 个 MEMS 电容薄