QMEMS 技术驱动下的石英谐振压力传感器：原理突破与国产化实践

摘要

石英谐振压力传感器凭借石英晶体固有的高稳定性、低温度漂移特性，成为高端工业、航空航天及核工业等领域压力测量的核心器件。长期以来，该类传感器的核心技术与市场被欧美日企业垄断，国内高端芯体国产化率不足 5%。本文系统阐述石英谐振压力传感器的压电谐振原理与 QMEMS 核心工艺，深入剖析差分式振梁结构设计、全固态封装及智能补偿算法等关键技术突破，并重点介绍以晨穹电子科技为代表的国内企业的技术实践与产业化成果，为行业技术升级与国产替代提供参考。

一、石英谐振压力传感器的技术内核

石英谐振压力传感器的测量基础源于石英晶体的压电效应和谐振特性双重物理机制。当外界压力作用于石英基膜时，基膜产生的机械应变传递至集成振梁，导致振梁固有谐振频率发生线性变化，通过检测频率信号即可实现压力的高精度量化。与传统应变片、电容式传感器相比，其核心优势体现在三方面：一是石英晶体极低的弹性模量温度系数，使温漂系数可控制在 ±0.0015% FS/℃量级；二是频率信号的抗干扰特性，在强电磁环境中信号失真率降低 90% 以上；三是全固态结构无活动部件，使用寿命可达 10 年以上。

QMEMS（石英微机电系统）工艺是实现传感器微型化与高精度的核心支撑。该工艺通过光刻、干法刻蚀等微纳加工技术，在 4/6 寸石英晶圆上实现振梁与基膜的一体化制造，加工精度达纳米级，确保了器件的一致性与稳定性。其中，差分式三梁结构设计是关键创新：感压梁响应压力变化，参考梁与补偿梁实时抵消温度与封装应力干扰，使传感器在 - 55℃~125℃宽温域内保持 ±0.01% FS 的测量精度。

二、国产化技术突破与企业实践

在国产替代浪潮推动下，国内企业通过全链条技术创新，逐步打破海外垄断，形成了以晨穹电子为引领的产业梯队。

（一）晨穹电子科技：全链条自主化的领航者

作为国内首个实现石英谐振芯体批量生产的企业，晨穹电子通过四大技术创新构建核心竞争力。在工艺层面，搭建千级净化厂房与专用 QMEMS 产线，掌握光刻、湿法腐蚀与干法刻蚀等关键技术，将晶圆加工良率从不足 50% 提升至 85% 以上。其 RPS01 系列传感器采用特种石英材料与多层金属密封封装，可耐受 380MPa 高压与 HF 酸腐蚀，在油井 150℃高温、20g 振动环境中实现 0.05% FS 精度测量，在核反应堆 10⁶ Gy 辐射环境下误差控制在 0.1‰以内。

算法创新方面，晨穹基于机器学习开发动态温度补偿模型，集成温度传感器实现实时校正，温漂系数低至 ±0.0015% FS/℃，达到国际领先水平。目前其 CPS01 系列芯体已实现量产，年产能达 30 万枚，预计 2026 年将提升至 100 万枚，使同类产品价格降低 40%，有效打破国外价格垄断。

（二）航天电子：军工领域的技术积淀者

依托航空航天领域的严苛应用需求，航天电子在高可靠性石英压力传感器研发上形成独特优势。其产品采用石英 - 金属复合封装工艺，抗冲击能力达 200g，适用于飞行器大气数据系统等极端场景，2024 年产量达 180 万只，以 15.7% 的市场份额位居国内首位。在军工配套领域，其传感器通过数千小时老化试验，年漂移率控制在 0.005% FS 以内，成为国产军机与航天器的核心配套器件。

（三）北京芯诺电子：工业领域的规模化践行者

北京芯诺电子聚焦工业自动化细分市场，2024 年实现出货量 120 万只，市场份额达 8.5%。其产品采用简化版差分式双梁结构，在保证 0.1% FS 精度的同时降低成本，广泛应用于压力变送器、流量测量等工业场景。通过与高校合作开发的低成本校准方案，解决了中小企业对高精度传感器的性价比需求。

三、技术挑战与产业化瓶颈

尽管国产化取得显著进展，行业仍面临多重挑战。材料层面，特种石英晶圆的纯度与均匀性仍与日本信越等国际厂商存在差距，影响长期稳定性；工艺设备方面，高精度光刻与刻蚀设备依赖进口，制约了加工精度提升；测试校准环节，高端压力控制器与温度校准仪多为福禄克等海外品牌，导致量产校准成本居高不下。此外，核心信号处理芯片如高精度 ADC 仍依赖进口，存在供应链安全风险。

四、结语

QMEMS 技术的成熟为石英谐振压力传感器的国产化提供了关键支撑，晨穹电子等企业的实践证明，通过材料、工艺、算法的全链条创新，国产传感器完全可实现高端领域的进口替代。未来需依托 "传感器产业振兴计划"，加强产学研协同，突破设备与材料瓶颈，完善测试校准体系，推动国产石英压力传感器向更高精度、更宽适用域与更低成本方向发展。

审核编辑 黄宇