面向低温高真空的厘米级气体压力传感器

基于纳米机械薄膜的气体压力传感器最近展示出超宽十个数量级的测量范围、与气体种类无关的响应特性以及约 $1\,\%$ 的自校准运行精度。现有读出方案依赖室内自由空间激光干涉仪。本文提出了一种厘米级便携式实现方案，方形 Si$_3$N$_4$ 薄膜通过光纤激光干涉仪进行读出。在温度为 $78$~K 的封闭 $0.7$~L 体积中进行 $5\times10^{-5}$ 至 $10^{-1}$~mbar 的压力测量。由于目前没有适用于直接低温比较的商业压力传感器，本文将该设备与通过导管（受限传导率）连接至室温商业压力表进行基准测试。两种传感器之间的测量关系与模型对比，模型考虑了测量腔内因温度和抽气引起的压力梯度。模型对氦气的误差小于 $10\,\%$，对氮气的误差小于 $13\,\%$。实现的读出灵敏度为 $S_x = 8\times10^{-14}\,\mathrm{m}/\sqrt{\mathrm{Hz}}$，理论上可解析大气压下弹簧膜的热位移噪声谱，其在 $295\,\mathrm{K}$（室温）和 $78\,\mathrm{K}$（低温）下的峰值响应分别为 $48\,S_x$ 和 $25\,S_x$。本结果表明，弹簧膜实现的十个数量级压力测量范围可与光纤式光学读出兼容，为在低温环境下实现厘米级尺寸的广泛应用压力传感器指明了道路。