CN101079591A - 石英热敏谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的是一种石英热敏谐振器。它包括管壳1，设置在管壳内的石英晶片2，石英晶片的形状为有切角的长方体，在其厚度方向的两表面4上有金属激励和接收电极5，电极5的形状为菜刀形，电极5的边缘6呈波纹状，在石英片上的激励和接收电极的周围分别均匀地分布有质量分散加载金属膜块群7，沿石英片宽度方向有分别向内侧切入的V形切口8，在石英晶片上没有布设激励和接收电极以及质量加载金属膜块群的区域制作了深孔阵列9，石英晶片输出的电信号通过管脚10引出。本发明具有Q值高、寄生模式少、对动态电容的不良影响小、抗机械振动能力强、频率/温度特性的线性好、响应速度快等优点。
Description
(一)技术领域
本发明涉及的是一种电子敏感元器件，具体地说是一种热敏谐振器。
(二)背景技术
众所周知，石英热敏谐振器是决定传感器精密、快响应、高稳定特性的关键部件。目前国内、外石英热敏谐振器的发展方向有三：①探索最佳热敏切型，提高灵敏度、线形度和互换性；②通过摸索矩形石英片最佳边比值抑制寄生振动，提高Q值(品质因数)，改善其稳定性和互换性；③探索石英晶片最佳的表面形貌(曲率和表面粗糙度等)，提高Q值，增大灵敏度和改善互换性。
实际上，人们很早就开始研究矩形谐振器。R.D.Mindlin在Journal ofApplied Physics VOL.22.NO.3(1951年)上首次发表了关于“弯曲振动和切变振动模式与材料弹性常数的关系以及矩形谐振器的谐振频率特性的计算”的论文，可是由于困难较大，矩形谐振器技术一直发展缓慢。最近由于手机的巨大市场和航天、航空市场的需求牵引，从事矩形谐振器研制的厂家剧增，硕果累累，AT切型的矩形谐振器已经成熟，开始批量生产。与此相反，石英温度传感器的市场有限，并且难度更大，因此至今矩形石英热敏谐振器仍进展不大。
然而，温度传感器要承受较大的温度变化，而R.D.Mindlin仅探讨了在恒定温度下矩形谐振器的厚度切变模式与寄生模式的耦合以及它们与材料的弹性常数之关系，显然，R.D.Mindlin的理论并不完全适合于矩形石英热敏谐振器。现代压电学理论告诉我们，温度的变化对弹性常数值影响很大。因此在长(度)/宽(度)比较小的时候，例如等于5～8时，那么应该采取怎样的技术创新，才能够改善其频率/温度特性以及降低对动态电容的不良影响？这些问题始终没有得到解决。
(三)发明内容
本发明的目的在于提供一种能够承受较大的温度变化，能够改善其频率/温度特性以及降低对动态电容的不良影响的石英热敏谐振器。
本发明的目的是这样实现的：它包括管壳1，设置在管壳内的石英晶体片2，石英晶体片的形状为有切角的长方体，在其厚度方向的两侧表面4上以蒸发或溅射法分别制作有金属激励电极和接收电极5，电极5的形状为菜刀形，电极5的边缘6呈波纹状，在石英晶体片上的激励电极和接收电极的周围分别均匀地分布有质量分散加载金属膜块群7，沿石英晶体片宽度方向有分别向内侧切入的V形切口8，在石英晶体片的没有布设激励电极和接收电极以及质量分散加载金属膜块群的区域有孔阵列9，石英晶体片通过管脚10引出。
本发明还可以包括这样一些特征：
1、所述的孔阵列9是利用各向异向刻蚀或超声打孔法、激光打孔法制作的盲孔阵列，该盲孔的深度逐渐变深，满足指数函数关系。
2、所述的孔阵列9是利用各向异向刻蚀法或超声打孔法制作的通孔阵列，通孔的直径应大于或等于晶片2的厚度。
3、所述的电极5的边缘6呈波纹状的波纹的重复周期应相等。
4、所述的电极5的边缘6呈波纹状的波纹的各电极边缘波纹的重复周期不相等，它们的重复周期可以根据被抑制的寄生模式设计和制作。
5、所述的金属激励电极和接收电极5是金、银或铝金属，或者Cr-Au，Cr-Ag合金等材料制成的电极。
6、所述的在管壳1的顶部和管壳周围的内表面涂敷有红外线高辐射涂层13，涂层的材料可以使添加稀土元素La2O3的镍钴系红外辐射陶瓷粉、铁锰酸稀土钙红外涂敷层、α-Fe2O3陶瓷红外涂敷层或碳化硅粉红外涂敷层。
本发明的组成包括管壳1，石英晶体片2，此石英晶片的单转角切型是YZW/(2°45′～+4°30′)，双转角的切型是(YXWL)6.5°/6.1°，在本发明中X代表石英晶体的电轴，Y是其机械轴，Z是其光轴，W代表晶片的宽度方向，L代表晶片的长度方向，Y′代表旋转切割后的新机械轴，Z′是旋转切割后的光轴。晶片的形状为有切角的长方体，加工切角3是为了抑制某些寄生振动模式。电极7是质量分散加载金属膜块群，它们分别由尺寸为0.5×0.3mm的矩形金属电极阵列构成，均匀地分布在激励电极和接收电极5的周围，它们的主要功能是改善能陷效果，提高对某些寄生振动模式信号和泛音信号的抑制。8是沿晶片宽度方向分别向内侧切入的V形切口，它可以起到降低外部机械振动能量和热应力的传入，以及抑制某些寄生振动模式的作用。9是利用各向异向刻蚀或超声打孔法、激光打孔法制作的盲孔阵列，该盲孔的深度逐渐变深，满足指数函数关系，以便利用声波导原理降低谐振能量沿Z′方向泄漏，抑制寄生模式信号，提高Q值。
10是管脚，由柯伐丝构成，其外表面镀金。为了扩大传感器的测温范围，管脚10和热敏谐振器电极5的焊接点不能采用锡焊法(焊锡的温度通常为180～200℃)，应该利用激光点焊法、贮能点焊法或超声点焊法进行焊接。因此其测温范围能够达到350℃以上。11是玻璃粉绝缘子，12是柯伐管座，由于柯伐材料与玻璃粉绝缘子11材料的热膨胀系数匹配，因此在宽温区范围内该结构仍保持气密封状态，能防止导热气体13(通常使用氦气，由于它是导热最佳气体)的泄漏。充氦气还具有如下作用：由于氦气对石英热敏谐振器厚度切变振动的阻尼很小，而弯曲振动、长度伸缩振动、轮廓振动等寄生模式却受氦气的阻尼影响很大，其振幅衰减剧烈，产生很强的寄生模式抑制作用，因此厚度切变振动模式与其它弯曲振动、长度伸缩振动和轮廓振动模式几乎不耦合，从而保持传感器的高Q值和快响应特性以及长期稳定性。
14是在管壳1的顶部和管壳周围的内表面涂敷的红外线高辐射涂层，例如：添加稀土元素La2O3的镍钴系红外辐射陶瓷粉、铁锰酸稀土钙红外涂敷层、α-Fe2O3陶瓷红外涂敷层、碳化硅粉红外涂敷层。涂敷红外线高辐射涂层的目的是为了提高传感器的响应速度。
本发明公布了一种外形尺寸为Φ3×8mm的高频石英热敏谐振器技术。它不必把晶片加工成双凸或平凸的形貌就能获得高Q值和低寄生模，即利用蒸发或溅射法在被切角的长方形石英晶片上制作了具有波纹边缘且重复周期相等的“菜刀形”金属电极以及质量分散加载金属膜块群，强化其能陷效应，提高对寄生模式的抑制，增大了Q值。
此石英晶片切角的目的是为了抑制某些寄生振动模式。石英晶片的单转角切型是YZW/(2°45′～+4°30′)，双转角的切型是(YXWL)6.5°/6.1°。在本发明中，X代表石英晶体的电轴，Y是机械轴，Z是光轴，W代表晶片的宽度方向，L代表晶片的长度方向，Y′代表旋转切割后的新机械轴，Z′是旋转切割后的光轴。
对晶片加工，使其在“菜刀”状金属电极和晶片的下边缘之间设置了数列的盲孔阵列，该盲孔的深度逐渐变深，满足指数函数关系，或者制作数列的通孔阵列，以便利用声波导原理抑制寄生模式信号，提高Q值；在“菜刀”状金属电极和晶片的下边缘之间，在晶片的宽度方向加工了一对V形槽，它可以起到隔离外部机械振动能量和热应力的传入以及抑制寄生振动的作用；利用外壳内表面涂覆的高辐射红外涂层和充氦气法增大响应速度，减少其时间常数。充氦气还具有如下作用：由于氦气的阻尼对石英热敏谐振器厚度切变振动的振幅影响很小，而对弯曲振动、长度伸缩振动、轮廓振动等寄生模式却受氦气的阻尼影响很大，其振幅衰减剧烈，产生很强的寄生模式抑制，因此厚度切变振动模式与其他弯曲振动、长度伸缩振动和轮廓振动模式几乎不耦合。
石英晶体的固有长期稳定性使得温度传感器具有良好的老化特性；频率信号输出具有很高的分辨率，因此石英温度传感器能够测量很小的温度差；本发明的谐振式石英温度传感器具有测温范围宽，体积小，线性度好，响应速度快，分辨率高，长期稳定性优异，工艺简单，抗机械振动、耐冲击能力佳；其测温范围可达-60℃～+125℃，温度分辨率高达0.0001℃，准确度优于0.02℃，响应时间可小于5S，长期稳定性高达0.01℃/年。
(四)附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是单转角和双转角石英晶体切型的说明图；
图3是本发明的热敏谐振器晶片示意图。
(五)具体实施方式
下面结合附图举例对本发明做更详细地描述：
石英热敏谐振器的组成包括管壳1，设置在管壳内的石英晶体片2，石英晶体片的形状为有切角的长方体，在其厚度方向的两侧表面4上以蒸发或溅射法分别制作有金属激励电极和接收电极5，电极5的形状为菜刀形，电极5的边缘6呈波纹状，在石英晶体片上的激励电极和接收电极的周围分别均匀地分布有质量分散加载金属膜块群7，沿石英晶体片宽度方向有分别向内侧切入的V形切口8，在石英晶体片的没有布设激励电极和接收电极以及质量分散加载金属膜块群的区域有孔阵列9，石英晶体片通过管脚10引出。所述的孔阵列9是利用各向异向刻蚀或超声打孔法、激光打孔法制作的盲孔阵列，该盲孔的深度自上而下逐渐变深，满足指数函数关系。所述的电极5的边缘6呈波纹状的波纹的重复周期应相等。所述的金属激励电极和接收电极5是金、银或铝金属，或者Cr-Au，Cr-Ag合金等材料制成的电极。所述的在管壳1的顶部和管壳周围的内表面涂敷有红外线高辐射涂层13，涂层的材料可以使添加稀土元素La2O3的镍钴系红外辐射陶瓷粉、铁锰酸稀土钙红外涂敷层、α-Fe2O3陶瓷红外涂敷层或碳化硅粉红外涂敷层。
本发明的第二种实施方式包含了上一种实施方式的基本内容，其区别在于所述的孔阵列9是利用各向异向刻蚀法或超声打孔法制作的通孔阵列，通孔的直径应大于或等于晶片2的厚度。电极5的边缘6呈波纹状的波纹的各电极边缘波纹的重复周期不相等，它们的重复周期可以根据被抑制的寄生模式设计和制作。
Claims (10)
1、一种石英热敏谐振器，它包括管壳(1)，设置在管壳内的石英晶体片(2)，其特征是：石英晶体片的形状为有切角的长方体，在其厚度方向的两侧表面(4)上以蒸发或溅射法分别制作有金属激励电极和接收电极(5)，电极(5)的形状为菜刀形，电极(5)的边缘(6)呈波纹状，在石英晶体片上的激励电极和接收电极的周围分别均匀地分布有质量分散加载金属膜块群(7)，沿石英晶体片宽度方向有分别向内侧切入的V形切口(8)，在石英晶体片的没有布设激励电极和接收电极以及质量分散加载金属膜块群的区域有孔阵列(9)，石英晶体片通过管脚(10)引出。
2、根据权利要求1所述的石英热敏谐振器，其特征是：所述的孔阵列(9)是利用各向异向刻蚀或超声打孔法、激光打孔法制作的盲孔阵列，该盲孔的深度逐渐变深，满足指数函数关系。
3、根据权利要求1所述的石英热敏谐振器，其特征是：所述的孔阵列(9)是利用各向异向刻蚀法或超声打孔法制作的通孔阵列，通孔的直径应大于或等于晶片(2)的厚度。
4、根据权利要求1、2或3所述的石英热敏谐振器，其特征是：所述的电极(5)的边缘(6)呈波纹状的波纹的重复周期相等。
5、根据权利要求1、2或3所述的石英热敏谐振器，其特征是：所述的电极(5)的边缘(6)呈波纹状的波纹的各电极边缘波纹的重复周期不相等，它们的重复周期根据被抑制的寄生模式设计和制作。
6、根据权利要求1、2或3所述的石英热敏谐振器，其特征是：所述的金属激励电极和接收电极(5)是金、银或铝金属，或者Cr-Au、Cr-Ag合金材料制成的电极。
7、根据权利要求4所述的石英热敏谐振器，其特征是：所述的金属激励电极和接收电极(5)是金、银或铝金属，或者Cr-Au、Cr-Ag合金材料制成的电极。
8、根据权利要求5所述的石英热敏谐振器，其特征是：所述的金属激励电极和接收电极(5)是金、银或铝金属，或者Cr-Au、Cr-Ag合金材料制成的电极。
9、根据权利要求1、2或3所述的石英热敏谐振器，其特征是：所述的在管壳(1)的顶部和管壳周围的内表面涂敷有红外线高辐射涂层(13)，涂层的材料可以是添加稀土元素La2O3的镍钴系红外辐射陶瓷粉、铁锰酸稀土钙红外涂敷层、α-Fe2O3陶瓷红外涂敷层或碳化硅粉红外涂敷层。
10、根据权利要求6所述的石英热敏谐振器，其特征是：所述的在管壳(1)的顶部和管壳周围的内表面涂敷有红外线高辐射涂层(13)，涂层的材料可以是添加稀土元素La2O3的镍钴系红外辐射陶瓷粉、铁锰酸稀土钙红外涂敷层、α-Fe2O3陶瓷红外涂敷层或碳化硅粉红外涂敷层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| C17 | Cessation of patent right | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20091028 Termination date: 20120625 |