采用環形感壓薄膜的MEMS電容薄膜真空規設計

王呈祥　韓曉東　李得天　成永軍　孫雯君　李剛

摘要：感壓薄膜的結構改良能有效改善MEMS電容薄膜真空規的壓力一電容輸出特性。為解決MEMS電容薄膜真空規寬量程與高靈敏度相矛盾的問題，設計一種環形結構的感壓薄膜，利用有限元的方法分析對比5種環形結構的感壓薄膜在不同壓力下的變形與應力分布情況。分析認為，同心圓結構的感壓薄膜具有最優異的性能，同等感測面積情況下真空規的壓力-電容線性輸出測量上限能從圓片結構的1.1×10³Pa延伸到同心圓結構的1.2×10⁴Pa，圓片結構感壓薄膜的真空規在1～800Pa區間內的壓力一電容輸出非線性度為3.9%，靈敏度為10.1fF·Pa^-1;同心圓結構感壓薄膜的真空規結構在1～8000Pa區間內的非線性度為3.6%，靈敏度為1.3 fF·Pa^-1。

關鍵詞：MEMS;電容薄膜真空規;高靈敏度;寬測量范圍

中圖分類號：TB772;TM934.2 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）01-0088-06

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MEMS型電容薄膜真空規（以下簡稱真空規）具有溫度漂移系數低、噪聲低、測量值與氣體種類無關的特點，同時還兼備體積小、能耗低的優勢，在深空探測、臨近空間探索等領域具有廣闊的運用前景[1-4]。由于體積小，真空規需要使用大寬厚比的感壓薄膜確保足夠高的靈敏度。然而，根據板殼理論可知高靈敏度和寬測量范圍兩個參數兩者相互矛盾，感壓薄膜面積越大受壓后的撓度變化也越大，受到參考腔深度的限制真空規難以獲得較寬的測量范圍[5]。

拓寬真空規測量范圍受到了廣泛的關注，目前的主要方案有兩種，分別為并聯多膜結構[6-7]和靜電伺服模型[8]。……