Page 68 - 《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 339

下限随着环壁厚下降而下降，降低环壁厚可以有效 10 7
延伸传感器的压力测量下限。

10 6 10 6
品质因数
0.9Q max

10 5
品质因数 10 5 Q in =100 000 Q in =1 000 000

4
a r =3 mm, b r =0.10 mm 10 0.01 Q in =500 000 Q in =2 000 000 10 Q in =5 000 000
1
0.1
100
a r =3 mm, b r =0.15 mm
a r =3 mm, b r =0.20 mm 压力/Pa
a r =3 mm, b r =0.25 mm
a r =3 mm, b r =0.30 mm 图 4 固有阻尼对真空敏感范围的影响
10 4
0.01 0.1 1 10 100 Fig. 4 illustration of the intrinsic damping
压力/Pa
（a）谐振环壁厚对气体阻尼的影响
2 环形谐振式传感器的加工
2.5
熔融石英谐振器其整体分为谐振子制作与
2.0 谐振器组装两个部分，加工工艺流程如图 5 所示。
极限封装压力/Pa 1.5 过湿法腐蚀释放出谐振子的结构（b）。然后采用
首先使用飞秒激光诱导改性熔融石英（a），并通
磁 控 溅 射 镀 膜 工 艺 在 谐 振 子 的 表 面 沉 积 铬-金
1.0
0.5 层，并通过光刻刻蚀工艺将金属层图形化成电极
（c），以解决熔融石英不导电的问题。最后的谐振
0 器组装步骤中，先将下磁帽放置于石英衬底中（d），
接着通过键合工艺将谐振结构与衬底紧密结合到
0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
壁厚/mm 一起使之成为完整的整体（e），然后组装磁芯与上
（b）谐振环壁厚与极限封装压力的关系
磁帽（f）。器件组装完成后的整体形貌如图 6 所示。
图 3 谐振环壁厚与气体阻尼品质因数的关系
（a）
Fig. 3 relationship between resonator thickness and Q-value
（b）
除气体阻尼影响以外，其他与压力无关的固有 （c）
阻尼也决定着谐振子的压力敏感下限。在相同结 （d）
构尺寸条件下（a r =3 mm，b r =200 µm），分析了谐振
子的固有阻尼对压力敏感下限的影响，结果如图 4
所示。与固有阻尼相关的品质因数从 5 000 000 下 （e）
降至 100 000 时，传感器的压力敏感下限从 0.45 Pa
上升至 42 Pa。因此，降低固有阻尼损耗也是延伸
真空敏感下限的有效方法。熔融石英材料相比于
（f）
氧化铝材料具有更低的热膨胀系数，即热弹性阻尼
损耗更小，因此相同尺寸下熔融石英谐振子具有更
熔融石英 钐钴磁体
低的压力敏感下限。
因此，根据模型计算，固有阻尼相关品质因数 改性后熔融石英 坡莫合金
为 1×10 时，对于测量下限约为 1 Pa 的环形谐振传 铬&金
6
感器，谐振环的半径与壁厚分别设计为 2.7 mm 与 图 5 谐振式传感器加工工艺流程图
0.2 mm。 Fig. 5 illustration of fabrication process