CN103940548B - 一种双端固支石英梁谐振式真空度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种双端固支石英梁谐振式真空度传感器，底座顶端的凹槽内连接有玻璃基底和两根电极柱，电极柱穿过底座伸出外管壳外，玻璃基底用环氧树脂粘接在底座顶端的凹槽内，玻璃基底的上方配置有石英梁，石英梁由两端的第一、第二基座和中间的梁连接构成，玻璃基底的顶部设有第一、第二凸台，底部设有凹槽，第一、第二基座底面用焊料固定在第一、第二凸台上，基座正面沉积有压焊块，压焊块通过超声热压键合用金丝与电极柱连接，通过电路将石英梁谐振阻抗随压力变化的信号提取出来，就可以监测待测环境的真空度值，本发明具有精度高、稳定性好、抗干扰能力好等优点。

Description

一种双端固支石英梁谐振式真空度传感器
技术领域
本发明涉及谐振式传感器技术领域，特别涉及一种双端固支石英梁谐振式真空度传感器。
背景技术
真空度传感器是用于测量低于一个大气压的传感器，是真空计的传感测量部分。其主要形式有液态式、电容式、热传导式、谐振式和电离式等。其中，谐振式真空度传感器是利用静电力驱动下谐振器的谐振阻抗随被测压力的变化而变化的原理制成的，具有体积小、灵敏度高、准数字信号输出、抗干扰能力强等优点。目前，谐振式真空度传感器主要是硅微结构或利用市场上的晶振制作，但由于采用的石英音叉是单端固支在金属壳体上的悬臂梁结构，其测量精度会受到振动、热膨胀等环境因素的影响，特别是在低真空的时测量精度显著降低。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种双端固支石英梁谐振式真空度传感器，采用微机械电子加工工艺制作传感器芯片，具有精度高、抗干扰能力好的优点。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种双端固支石英梁谐振式真空度传感器，包括底座6，底座6和外管壳1连接在一起，外管壳1内腔和底座6接触的凹槽内配置有O型橡胶密封圈4，外管壳1顶部的压力孔与待测压力相通，底座6顶端的凹槽内连接有玻璃基底3和两根电极柱5，电极柱5穿过底座6伸出外管壳1外，玻璃基底3用环氧树脂10粘接在底座6顶端的凹槽内，玻璃基底3的上方配置有石英梁2，石英梁2由两端的第一基座2-1、第二基座2-2和中间的梁2-5连接构成，玻璃基底3的顶部设有第一凸台3-1、第二凸台3-2，底部设有凹槽3-3，第一基座2-1底面用焊料9固定在第一凸台3-1上，第二基座2-2底面用焊料9固定在第二凸台3-2上，第一基座2-1正面沉积有第一压焊块2-3，第二基座2-2正面沉积有第二压焊块2-4，第一压焊块2-3通过超声热压键合用金丝8与第一电极柱5-1连接，第二压焊块2-4通过超声热压键合用金丝8与第二电极柱5-2连接。
所述的第一凸台3-1、第二凸台3-2是通过玻璃湿法腐蚀形成，深度为50～200μm。
与现有技术相比本发明的优点在于：石英梁2为双端固支石英音叉，其品质因数高，稳定性好，相较于其他用晶振或硅梁等制作的谐振式真空度传感器，本发明具有精度高、稳定性好、抗干扰能力好等优点。
附图说明
图1为本发明真空传感器的结构示意图，其中：图1-a为传感器的全剖视图，图1-b为芯片部分的局部放大图。
图2为去除封装外管壳1和螺钉7后的三维结构示意图。
图3为石英梁2的结构示意图以及谐振时的振动模态示意图。
图4为玻璃基底3的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
参照图1和图2，一种双端固支石英梁谐振式真空度传感器，包括底座6，底座6和外管壳1通过四个螺钉7连接在一起，外管壳1内腔和底座6接触的凹槽内配置有O型橡胶密封圈4，外管壳1顶部的压力孔与待测压力相通，底座6顶端的凹槽内连接有玻璃基底3和两根电极柱5，电极柱5穿过底座6伸出外管壳1外，玻璃基底3用环氧树脂10粘接在底座6顶端的凹槽内，玻璃基底3的上方配置有石英梁2，石英梁2由两端的第一基座2-1、第二基座2-2和中间的梁2-5连接构成，玻璃基底3的顶部设有第一凸台3-1、第二凸台3-2，底部设有凹槽3-3，第一基座2-1底面通过倒装键合技术用焊料9固定在第一凸台3-1上，第二基座底面2-2通过倒装键合技术用焊料9固定在第二凸台3-2上，第一基座2-1正面沉积有第一压焊块2-3，第二基座2-2正面沉积有第二压焊块2-4，第一压焊块2-3通过超声热压键合用金丝8与第一电极柱5-1连接，第二压焊块2-4通过超声热压键合用金丝8与第二电极柱5-2连接。
参考图3，所述的第一基座2-1、第二基座2-2和梁2-5材料为石英晶体，厚度为80～200μm，梁2-5的四周均覆盖有电极，并且电极分别与第一压焊块2-3和第二压焊块2-5连通，第一压焊块2-3、第二压焊块2-4和梁2-5四周覆盖的电极材料为Cr/Au层，石英梁2在驱动电路作用下发生谐振，在待测压力环境中作阻尼振动，振动模态沿石英梁2的宽度方向。
参照图4，所述的第一凸台3-1、第二凸台3-2是通过玻璃湿法腐蚀形成，深度为50～200μm，玻璃基底3主要起热匹配作用，避免石英梁2因受底座6的热应力影响而引起测量精度降低，凹槽3-3减小了与底座6的接触面积，进一步降低了封装热应力对石英梁2的影响。
所述的外管壳1和底座6的材料均为可伐合金。
本发明的工作原理是：
待测气体经外管壳1顶部的压力孔进入外管壳1的空腔内，外部的激励和检测电路连接在电极柱5上，在静电力驱动作用下石英梁2发生谐振，其谐振阻抗随待测压力的变化而变化，通过提取石英梁2的谐振阻抗随就可以监测待测环境的真空度值。

Claims (2)

1.一种双端固支石英梁谐振式真空度传感器，包括底座(6)，底座(6)和外管壳(1)连接在一起，外管壳(1)内腔和底座(6)接触的凹槽内配置有O型橡胶密封圈(4)，外管壳(1)顶部的压力孔与待测压力相通，其特征在于：底座(6)顶端的凹槽内连接有玻璃基底(3)和两根电极柱(5)，电极柱(5)穿过底座(6)伸出外管壳(1)外，玻璃基底(3)用环氧树脂(10)粘接在底座(6)顶端的凹槽内，玻璃基底(3)的上方配置有石英梁(2)，石英梁(2)由两端的第一基座(2-1)、第二基座(2-2)和中间的梁(2-5)连接构成，玻璃基底(3)的顶部设有第一凸台(3-1)、第二凸台(3-2)，底部设有凹槽(3-3)，第一基座(2-1)底面用焊料(9)固定在第一凸台(3-1)上，第二基座(2-2)底面用焊料(9)固定在第二凸台(3-2)上，第一基座(2-1)正面沉积有第一压焊块(2-3)，第二基座(2-2)正面沉积有第二压焊块(2-4)，第一压焊块(2-3)通过第一超声热压键合用金丝与第一电极柱(5-1)连接，第二压焊块(2-4)通过第二超声热压键合用金丝与第二电极柱(5-2)连接。
2.根据权利要求1所述的一种双端固支石英梁谐振式真空度传感器，其特征在于：所述的第一凸台(3-1)、第二凸台(3-2)是通过玻璃湿法腐蚀形成，深度为50～200μm。
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