CN105897217B - 一种石英晶体谐振器、智能压力传感器及其传感测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于压力传感器技术领域，提供了一种石英晶体谐振器、智能压力传感器及其传感测量方法。该石英晶体谐振器包括压电石英晶片、基座、感应膜和外盖，所述压电石英晶片的两面上分别镀有金属电极，所述压电石英晶片固设于基座上；所述基座上有两金属引出端，所述两金属电极分别与两金属引出端相接触；所述外盖上开设有一通孔，所述外盖盖置于基座上，且将所述压电石英晶片封闭于基座内；所述感应膜密闭设置于所述通孔上。所述的石英晶体谐振器利用压电石英晶片在厚度切变谐振模式下谐振频率和该晶片表面所承受的压力有关这一特殊特性，实现了对环境压力的传感和测量。该晶体谐振器具有实现简单、易于批量生产以及制造成本低等特点。

Description

一种石英晶体谐振器、智能压力传感器及其传感测量方法

技术领域

本发明属于压力传感器技术领域，尤其涉及一种石英晶体谐振器、智能压力传感器及其传感测量方法。

背景技术

大气中各个高度的气压变化，以及高空环境的温度、湿度或者大气中其它特性的状况对于地面上环境的影响越来越重要。目前，如何掌握高空环境中各种特性随大气压力的变化而变化的状况，对于各国来讲都是一件迫切需要做的事情。

压电石英晶体是由全球储存量极多的二氧化硅(SiO₂)组成。如此多的原料储存量使得人造压电石英晶体成为压电行业的主要物料并且成本低。由于压电石英晶体的压电特殊特性，使其成为压力传感器在设计中使用的关键器件。但现有的采用压电石英晶体制作的传感器结构比较复杂。或者现有的部分压力传感器依靠器件的微位移或微变形的原理获取信号测量压力，这类压力传感器对器件的精细度要求较高，同时，制造成本也较高。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单、制造成本低的石英晶体谐振器。

本发明是这样实现的，一种石英晶体谐振器，包括压电石英晶片、基座、感应膜和外盖，所述压电石英晶片的两面上分别镀有金属电极，所述压电石英晶片固设于所述基座上；所述基座上有两金属引出端，所述两金属电极分别与两金属引出端相接触；所述外盖上开设有一通孔，所述外盖盖置于所述基座上与基座形成一个用于容纳所述压电石英晶片的填充有气体的封闭空间；所述感应膜密闭设置于所述通孔上。

进一步地，所述压电石英晶片为AT切压电石英晶片。

进一步地，所述感应膜为具有弹性的薄膜。

进一步地，所述基座与所述外盖所形成的密封空间内填充有一个大气压的惰性气体。

进一步地，所述金属电极为铬、钛、铝、铜、铜合金、镍、镍合金、银、银合金、金、金合金或任意以上金属与其它金属的合金。

本发明还提供一种智能压力传感器，包括如上任一所述的石英晶体谐振器、信号转换器和数据显示器，所述石英晶体谐振器的感应膜置于需要检测压力的环境中，用于感应环境压力的变化，并输出相应的谐振频率数据；

所述信号转换器与所述石英晶体谐振器相连接，用于将接收到的谐振频率数据转换为压力数据；

所述数据显示器与所述信号转换器相连接，用于将接收到的压力数据进行显示。

进一步地，所述信号转换器内建立有频率变化-压力变化转换表。

本发明还提供一种传感测量方法，该传感测量方法使用如上任意所述的智能压力传感器进行测量，包括以下步骤：

步骤A、将压力传感器置于待测量的环境中，石英晶体谐振器感受环境压力的变化，并将感受到的压力大小通过谐振频率数据进行输出；

步骤B、将所述谐振频率数据转换为压力数据；

步骤C、接收所述压力数据并将其进行显示。

进一步地，所述步骤A包括以下步骤：

步骤A01、所述石英晶体谐振器内的感应膜感受到压力变化并通过其内部密封的气体作用于压电石英晶片的表面上；

步骤A02、所述压电石英晶片表面上的压力发生变化，从而改变压电石英晶片在厚度切变谐振模式下谐振时的谐振频率；

进一步地，所述步骤B包括以下步骤：

步骤B01、将接收到的谐振频率数据与在一个大气压下压电石英晶片的谐振频率进行比较，并计算出频率差；

步骤B02、将所述频率差与信号转换器内的频率变化-压力变化转换表进行比较，并输出压力数据。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：石英晶体谐振器通过压电石英晶片在厚度切变谐振模式下谐振频率和该晶片表面所承受的压力有关这一特殊特性，以及工业界对频率可进行高精度测量这一能力，实现了对环境压力的传感和测量。该石英晶体谐振器具有实现简单、易于批量生产以及制造成本低等特点。

附图说明

图1是本发明石英晶体谐振器的结构示意图；

图2是采用本发明的石英晶体谐振器做成的智能压力传感器的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明所述的石英晶体谐振器和智能压力传感器利用压电石英晶片的压电特殊特性对压力进行传感测量，在环境大气压力逐渐降低的过程中，作用于压电石英晶片表面的压力减少，使得压电石英晶片表面的电荷密度有相应的变化，从而改变其输出的谐振频率，根据谐振频率的变化转化为需要测量的压力的变化。

如图1所示，为本发明一较佳的实施例，一种石英晶体谐振器10，包括压电石英晶片101、基座103、感应膜104和外盖102。压电石英晶片101的两面上分别镀有金属电极，压电石英晶片101被牢固地设置于基座103上。基座103上有两金属引出端106，两金属引出端106分别与两金属电极相接触，作为石英晶体谐振器输出端。外盖102上开设有一通孔105，外盖102被扣盖地设置于基座103上，外盖102与基座103形成一个用于容纳压电石英晶片101的填充有气体的封闭空间。感应膜104密闭设置于通孔105上。

优选的，压电石英晶片101采用导电胶固定在基座103上，压电石英晶片101为AT切压电石英晶片。

压电石英晶片101的形状和尺寸可根据设计要求而定，其上的两个金属电极的形状、尺寸、厚度和位置也可以根据设计要求而定。金属电极的材料可以为铬、钛、铝、铜、铜合金、镍、镍合金、银、银合金、金、金合金或任意以上金属与其它金属的合金。金属电极的设置方法可以是真空溅射镀膜、化镀或其它任何适用的方法。

外盖102上的通孔105的形状、尺寸以及数量由设计要求而定，所于密封通孔105的感应膜104的材质、形状、尺寸和厚度也由设计要求来确定。感应膜104为具有一定弹性的薄膜，比如橡胶膜。

基座103与外盖102所形成的密封空间内填充有一大气压的惰性气体，比如，氮气。在一个大气压下，压电石英晶片101的表面有相应的电荷以及基座103上的两个金属引出端106输出有相应的谐振频率。

当将石英晶体谐振器10放置于气球上时，气球在上升的过程中，由于高度的变化而产生相应大气压的变化。在高度逐渐升高的过程中，相应高度的大气压在逐渐地减小。在这种情况下，密封设置于外盖102上的感应膜104有一定程度的向外凸出。感应膜104内部的惰性气体由于扩张而使内部气体的体积增大，从而减小了内部惰性气体作用于压电石英晶片101表面的压力，使得压电石英晶片101表面的电荷密度有相应的变化，从而改变通过基座103上的两个金属引出端106所输出的谐振频率，从而将周围环境大气压力变化的信息转变为相应谐振频率的变化信息。

如图2所示，一种智能压力传感器，包括如上任一所述的石英晶体谐振器10、信号转换器20和数据显示器30。石英晶体谐振器10的感应膜104置于需要检测压力的环境中，用于感应环境压力的变化，并输出相应的谐振频率数据。信号转换器20与石英晶体谐振器10相连接，用于将接收到的谐振频率数据转换为压力数据。数据显示器30与信号转换器20相连接，用于将接收到的压力数据进行显示。该压力传感器可置于气球上，对不同高度的环境大气压力进行测量。

优选的，信号转换器20内建立有频率变化-压力变化转换表。频率变化-压力变化转换表可以通过实验数据来建立，该转换表具有建立在相应实验数据上的数据补偿功能，能提高转换精度。

石英晶体谐振器10将感受到的上升的压力数据通过谐振频率反馈给信号转换器20，信号转换器20在接收到从压电石英晶片101输出的谐振频率后，根据其内部已经建立好并且编程好的频率变化-压力变化转换表就可以得到相应的压力数据，即可获得上升到达的海拔高度相对应的大气压力变化和相对的频率变化之间的关系，最后通过数据显示器30输出上升所到达的海拔高度相对应的大气压力的信息。

一种传感测量方法，该传感测量方法使用任意一种如上所述的智能压力传感器进行测量，包括以下步骤：步骤A、将压力传感器置于待测量的环境中，石英晶体谐振器10感受环境压力的变化，并将感受到的压力大小通过谐振频率数据进行输出。步骤B、将所述谐振频率数据转换为压力数据。步骤C、接收所述压力数据并将其进行显示。

步骤A包括以下步骤：步骤A01、所述石英晶体谐振器10内的感应膜104感受到压力变化并通过其内部密封的惰性气体作用于压电石英晶片101的表面上。步骤A02、所述压电石英晶片101表面上所承受的压力发生变化，从而改变压电石英晶片101在厚度切变谐振模式下谐振时的谐振频率。

步骤B包括以下步骤：步骤B01、将接收到的谐振频率数据与在一个大气压下压电石英晶片的谐振频率进行比较，并计算出频率差。步骤B02、将所述频率差与信号转换器内的频率变化-压力变化转换表进行比较，并输出压力数据。

由于压电石英晶片101表面所受到的压力的微小变化能够引起该晶片的谐振频率的巨大变化，所以在晶片表面所受到的压力与晶片的谐振频率这两个物理特性的转换过程中，在实施了对频率的精确测量后，能够有效地提高对环境大气压力测量的灵敏度。从而使得人们可以更精确地监控生活环境中的大气压力以及和大气压力有关的众多参数，为人类生活环境的安全服务。

本发明的石英晶体谐振器10和智能压力传感器通过压电石英晶片101在厚度切变谐振模式下谐振频率和该晶片表面所承受的压力有关这一特殊特性，以及工业界对频率可进行高精度测量这一能力，实现了对环境压力的传感和测量。该石英晶体谐振器10和智能压力传感器具有实现简单、易于批量生产以及制造成本低等特点。为大批量制造出成本低的压力传感器提供了方便。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种石英晶体谐振器，其特征在于，包括压电石英晶片、基座、感应膜和外盖，所述压电石英晶片的两面上分别镀有金属电极，所述压电石英晶片固设于所述基座上；所述基座上有两金属引出端，所述两金属电极分别与两金属引出端相接触；所述外盖上开设有一通孔，所述外盖盖置于所述基座上与基座形成一个用于容纳所述压电石英晶片的填充有气体的封闭空间；所述感应膜密闭设置于所述通孔上；

所述基座与所述外盖所形成的密封空间内填充有一个大气压的惰性气体；

所述石英晶体谐振器内的感应膜感受到压力变化并通过其内部密封的惰性气体作用于压电石英晶片的表面上；

所述压电石英晶片表面上所承受的压力发生变化，从而改变压电石英晶片在厚度切变谐振模式下谐振时的谐振频率。

2.根据权利要求1所述的石英晶体谐振器，其特征在于，所述压电石英晶片为AT切压电石英晶片。

3.根据权利要求1所述的石英晶体谐振器，其特征在于，所述感应膜为具有弹性的薄膜。

4.根据权利要求1所述的石英晶体谐振器，其特征在于，所述金属电极为铬、钛、铝、铜、铜合金、镍、镍合金、银、银合金、金、金合金或任意以上金属与其它金属的合金。

5.一种智能压力传感器，其特征在于，包括如权利要求1至4任一所述的石英晶体谐振器、信号转换器和数据显示器，所述石英晶体谐振器的感应膜置于需要检测压力的环境中，用于感应环境压力的变化，并输出相应的谐振频率数据；

所述信号转换器与所述石英晶体谐振器相连接，用于将接收到的谐振频率数据转换为压力数据；

所述数据显示器与所述信号转换器相连接，用于将接收到的压力数据进行显示。

6.根据权利要求5所述的智能压力传感器，其特征在于，所述信号转换器内建立有频率变化-压力变化转换表。

7.一种传感测量方法，其特征在于，该传感测量方法使用权利要求5或6所述的智能压力传感器进行测量，包括以下步骤：

步骤A、将智能压力传感器置于待测量的环境中，石英晶体谐振器感受环境压力的变化，并将感受到的压力大小通过谐振频率数据进行输出；

步骤B、将所述谐振频率数据转换为压力数据；

步骤C、接收所述压力数据并将其进行显示；

所述步骤A包括以下步骤：

步骤A01、所述石英晶体谐振器内的感应膜感受到压力变化并通过其内部密封的气体作用于压电石英晶片的表面上；

步骤A02、所述压电石英晶片表面上的压力发生变化，从而改变压电石英晶片在厚度切变谐振模式下谐振时的谐振频率。

8.根据权利要求7所述的传感测量方法，其特征在于，所述步骤B包括以下步骤：

步骤B01、将接收到的谐振频率数据与在一个大气压下压电石英晶片的谐振频率进行比较，并计算出频率差；

步骤B02、将所述频率差与信号转换器内的频率变化-压力变化转换表进行比较，并输出压力数据。