隨著工業制造的持續優化與智能化升級，以及高空探測、高溫油氣開采等極端應用場景的不斷拓展，全球對兼具超高精度與長期穩定性的壓力測量儀器的需求日益迫切。在各類壓力傳感器中， MEMS諧振式壓力傳感器因其輸出為數字頻率信號，具有強電磁抗干擾能力，并能與數字系統實現無縫對接，因此被公認為精密壓力測量的首選解決方案。
據麥姆斯咨詢報道，近期，遼寧大學王識宇副教授、王績偉教授等人開發了一種基于靜電激勵和壓阻檢測的高精度MEMS諧振式壓力傳感器。該傳感器采用對稱的雙端固定梳齒驅動諧振器結構，通過交替靜電力驅動其在固有頻率下穩定振動。集成在諧振梁根部的壓阻器將機械振動轉換為頻率輸出，從而實現精確的外部壓力測量。這項工作為高精度、高穩定性的諧振式壓力傳感器提供了一種有效的技術，在實時氣壓監測、航空航天和工業控制等領域具有廣闊的應用前景。相關研究成果以“High-Precision MEMS Resonant Pressure Sensor for Real-Time Barometric Monitoring”為題發表在Micromachines期刊上。
在這項工作中，研究人員設計了一種高精度MEMS諧振式壓力傳感器，采用模塊化系統架構，主要由三個功能模塊組成：MEMS諧振式壓力傳感模塊、激勵/拾取與MCU核心處理模塊、通信輸出模塊。系統框圖如下圖所示。在系統運行過程中，激勵電路驅動MEMS諧振式壓力傳感模塊內的諧振器以產生穩定的機械振動。拾取電路實時檢測該振動頻率并將其轉換為電信號。當外部壓力作用于傳感模塊時，諧振器的固有頻率相應地發生偏移。MCU核心處理模塊采集頻率信號并進行計算，從而反演確定施加的壓力值。最后，計算結果通過通信輸出模塊經RS485接口（Modbus協議）傳輸到交互式輸出終端，實現數據顯示、參數配置和系統監控等用戶交互功能。
MEMS諧振式壓力傳感系統的整體架構示意圖
研究人員設計并制造了一種基于絕緣體上硅（SOI）晶圓技術的MEMS諧振式壓力傳感模塊。其核心結構由三個自上而下排列的部件組成：SOI傳感芯片、帶有預蝕刻空腔的玻璃基板、金屬管殼。詳細的制造工藝流程如下圖所示。
MEMS諧振式壓力傳感模塊的詳細制造工藝流程
MEMS諧振式壓力傳感模塊的整體結構
使用Keysight E5061B網絡分析儀對MEMS諧振式壓力傳感器進行了頻率掃描測試，以確定其固有諧振頻率范圍。基于綜合測試結果和分析，在當前測試條件下，該MEMS諧振式壓力傳感模塊的固有諧振頻率范圍約為20-35 kHz。這一結果為后續在壓力-頻率響應特性分析中激勵信號頻率的合理選取提供了重要依據，從而確保傳感器在其工作頻率范圍內具有穩定且高靈敏度的輸出響應。
實驗結果表明，該靜電激勵-壓阻檢測MEMS諧振式壓力傳感器在-30 °C-50 °C的工作溫度范圍內，在0-350 kPa的壓力范圍內實現了0.009% FS（滿量程）的精度。該壓力傳感器還顯示出小于0.008% FS的重復性誤差，表現出優異的測量精度和溫度魯棒性。
MEMS諧振式壓力傳感器的壓力-頻率響應表征
此外，研究人員還進行了為期一周的實時大氣壓監測實驗。結果表明，與中國氣象局提供的中國沈陽參考大氣壓數據相比，平均絕對百分比誤差小于0.05%。這一結果證實了該MEMS諧振式壓力傳感系統在實際大氣壓測量中的高精度和可靠性。
大氣壓測量實驗
總而言之，針對高精度壓力測量的需求，研究人員設計并制造了一種基于靜電激勵和壓阻檢測的MEMS諧振式壓力傳感器。實驗結果表明，在-30°C至50°C的工作溫度范圍內，該傳感器在0-350 kPa的壓力范圍內均表現出良好的測量精度（0.009% FS）和優異的可重復性（≤0.008% FS）。這項研究為高精度、高穩定性的MEMS諧振式壓力傳感器提供了系統級解決方案，在實時氣壓監測、航空航天及工業控制等領域具有廣闊的應用前景。
論文鏈接：
https://doi.org/10.3390/mi17060717
