Page 66 - 《真空与低温》2025年第3期

王呈祥等：环形谐振式传感器及其真空气体阻尼特性研究 337

高以及功耗低等优势。 组，每组电极可以用于驱动并监测一个模态的振动。
目前，主流的 MEMS 型谐振式传感器的谐振 谐振子的两个固有模态完全等效，其频率差可以直
子采用单晶硅材料制作，其加工过程需要使用到感 观表示谐振子的加工精度。
应耦合等离子体刻蚀工艺。该工艺是诱导高密度
的氟等离子体定向轰击单晶硅，在单晶硅表面的掩
膜保护下实现单晶硅的高深宽比选择性刻蚀。因此，
用于含氟等离子体工况环境测量的真空计，其敏感
部件必须具备优异的抗氟等离子体刻蚀的特性，如
熔融石英 钐钴磁体 坡莫合金 电极层
电容薄膜真空计采用陶瓷膜片。然而，局限于现有
（a）谐振式传感器件整体结构示意图
的加工技术，陶瓷材料还不兼容 MEMS 工艺，难以
用于谐振式传感器敏感单元的制作。在单晶硅的
感应耦合等离子体刻蚀工艺中，通常是在硅表面热
氧化生成二氧化硅作为刻蚀掩膜层实现高深宽比
刻蚀，氟离子对二氧化硅的刻蚀速度约为硅的十分 模态1
之一 [10-11] 。熔融石英的成分是二氧化硅，同样具有 （b）模态1
优异的氟离子耐受特性，可制作氟等离子体刻蚀工
况环境下的真空测量仪器的谐振子。因此，本文基
于熔融石英材料研制了一种环形谐振器，并展开真
空气体阻尼特性研究。

模态2
1 测量原理及影响因素分析 （c）模态2

1.1 环形谐振式传感器结构及压力敏感机理 图 1 谐振器整体结构与工作模态示意图
环形谐振式传感器（简称谐振器）由熔融石英 Fig. 1 illustration of the resonator structure and working modes
谐振子（简称谐振子）、熔融石英衬底（简称衬底）、 品质因数（Q 值）是每个振动周期内谐振子的
钐钴合金永磁体以及坡莫合金磁帽五个部分组成。 总能量与其耗散的能量的比值，直接反映出传感器
其整体结构如图 1（a）所示，结构从上到下的顺序 的灵敏度和机械热噪声水平。传感器的 Q 值越高
依次为上磁帽、永磁体、谐振子、下磁帽、衬底。 意味着更高灵敏度和更低的机械热噪声与功耗。
谐振子是整个传感器的核心，由谐振环、谐振梁以 Q 值的倒数（1/Q）代表传感器的阻尼损耗，主要由
及支撑锚点三部分组成。谐振环是谐振子中心的 气体压膜阻尼损耗（1/Q air ）、热弹性阻尼损耗（1/Q ted ）、
圆环，谐振梁连接着谐振环与支撑锚点，使谐振梁 锚点支撑阻尼损耗（1/Q anchor ）、表面阻尼损耗（1/Q surf ）
可以悬浮于磁场中间。熔融石英衬底用于支撑熔 以及其他阻尼损耗（1/Q other ）组成。其中，除气体压
融石英谐振子并为磁组件提供固定位点。磁组件
膜阻尼损耗以外的损耗称为固有阻尼损耗（1/Q cons ）。
由两个坡莫合金磁帽与一个钐钴磁体组成，永磁体
总损耗是各个阻尼损耗的代数和，其关系为：
产生的磁场被磁帽约束，在磁帽之间形成均匀的磁
1 1 1 1 1 1
场。谐振子的振动形变主要发生在谐振环，因此忽 Q = Q air + Q ted + Q anchor + Q surf + Q other （1）
略谐振梁上振动的影响。谐振环振动受到气体分
当固有阻尼损耗的数值与气体阻尼损耗的数
子阻尼的影响，读取衰减时间常数可以反演压力。
值大小相比可以被忽略时，上述公式可以写成：
谐振子的表面有八个金属电极，相邻两个电极 1 1
之间相互间隔 45°分布。金属电极上施加的交流驱 Q = ∑ = 1 1 1 1 1
Q −1 + + + +
动信号频率与谐振子的固有频率相同时，谐振子可 Q air Q anchor Q ted Q surf Q other
获得最大的振动幅值。由于加工误差的存在，谐振 1 Q 2
= =Q air Q cons =Q air − air
子的质量与刚度并非呈中心对称分布，存在两个相 1 1 Q air +Q cons Q air +Q cons
+
互间隔 45°的固定轴系，分别对应两个固有模态，如 Q air Q cons
图 1（b）（c）所示。间隔 90°的四个电极为一个电极 ≈ Q air , (p ⩾ p d , Q cons ≫ Q air ) （2）