CN107560787A - 具有无电极谐振音叉的石英真空传感器 - Google Patents

Abstract

具有无电极谐振音叉的石英真空传感器，涉及石英真空传感器领域。本发明是为了解决现有的真空传感器存在稳定性和可靠性差、灵敏度差、量程范围窄的问题。两个音叉叉臂之间存在间隙，每个音叉叉臂支撑隔离区的边缘连接处均开有弧形凹槽，每个音叉叉臂靠近顶端的前表面上均开有并行的两个通透形沟槽，在支撑隔离区上，以两个音叉叉臂的中心线为对称轴对称开设2至5个矩形通槽，在两个音叉叉臂之间的间隙处及支撑隔离区和两个音叉叉臂的四周分别设置与音叉叉臂平行的石英晶片，间隙处的石英晶片两个侧壁上和四周的石英晶片内壁上均贴有金属电极，金属电极和石英晶片为一体件结构，金属电极与两个音叉叉臂之间存在缝隙。用于航空等领域中。

Description

具有无电极谐振音叉的石英真空传感器

技术领域

本发明涉及具有无电极谐振音叉的石英真空传感器。属于真空传感器领域。

背景技术

真空传感器是一种技术薄弱，但是颇有应用前景的传感器，在航空、航天、船舶、半导体工业中颇有市场，例如：跳伞系统执行机构、超高层大气监测、地表至100Km的探测气球工程等急需一种压力范围为10⁵～10^-3Pa的真空传感器，可是其现状却不乐观：

现有真空传感器动态范围窄，灵敏度低，响应速度慢，体积大、功耗大，例如：皮拉尼(Pirani)式。因为其结构原因导致耐机械振动和冲击能力差，使用时还需要加热，不适宜高温下使用，也不能用于易燃、易爆场合。当飞行器高度为100Km时，由于飞机或火箭内部设备将带来数KHz、数十G的振动，目前的真空传感器在该条件下几乎都不能良好地工作。采用电容压力敏感元件的真空传感器，其量程下限越低，体积越大，技术指标越差，更不适宜在10⁵～10^-3Pa范围内使用，例如美国ECC型臭氧探空仪中的电容式压力传感器的真空传感器在40Km高度时，其准确度仅为20％。

近年崭露头角的双参数谐振石英真空传感器(QRVS)却可以扬长避短，按照其工作原理大致可分为两大类：

1)利用其谐振频率f与气体压力F的对应关系制备的频率输出型QRVS，其灵敏度不高：当F从10^-4Pa变化至100kPa时，其f仅变化几H_z。

2)利用真空中残存气体粘性和质量加载产生的阻尼导致音叉等效串联电阻Z变化的阻抗型QRVS，其灵敏度高：当F从10^-4Pa变化至100kPa时，通常Z可从10^-2kΩ增加到100kΩ。所有的真空传感器都是一样，都是基于气体运输现象的真空传感器，都是利用弯曲振动模式的石英音叉谐振器(QTF)的Z随着F变化之原理工作的。当传感器置于被测真空中时，由于受到残存气体粘性和质量效应产生的阻尼影响，导致音叉的f和Q值(它与振动振幅、Z等参数相关)改变：在气体分子流领域，Z与F成正比，而在气体粘性流领域Z却与F的1/2次方成正比。显然，根据Z与Z₀之差，就可以准确地测量出真空度。

根据滑移理论(Slip theory)和密立根的经验公式(The empirical formula ofMilliken)，在全压力范围(分子流、中间流和粘性流领域)内，其等效串联电阻的变化量⊿Z可以表示为：

式中，C是常数，R是石英音叉片的厚度之半，η是真空中残存气体的视在粘度系数，ρ是真空中残存气体的密度，ω是石英音叉的谐振角频率。

QRVS的灵敏度主要由石英音叉的结构尺寸决定的。在气压比较低，即真空度比较高时，其Z随着真空度的变化趋势比较陡峻，并与t成正比：

⊿Z＝Z-(Z₀+Z_T)∝L³/w.t

式中，Z_T是在温度T时Z₀的补偿值。

换言之，真空度比较高时，其灵敏度比较高，然而真空度比较低时，其Z随着真空度的变化趋势比较平缓，与t的平方根成正比，灵敏度变差：

⊿Z∝L²/w.t

所以，现有的双参数谐振石英真空传感器(QRVS)存在以下缺点：

1)灵敏度有待提高

提高灵敏度的常规方法是增加叉臂臂长L，提高t，减少叉臂臂宽w，可是它将带来负面问题：体积增大，频率降低，叉臂根部的应力增大，减少了叉臂的疲劳寿命。简言之，以牺牲稳定性和可靠性为代价，换取高灵敏度。

2)量程下限需要拓宽，温度稳定性颇需改善

QRVS的测量下限并不是完全由Z的变化量决定的，还取决于温度的变化、Z₀的电噪声以及传感器的使用时间，即所谓的“温飘”和“时飘”。其中，Z₀是固有等效串联电阻(即在高真空下的等效串联电阻)。换言之，其误差主要来自真空度检测时的温度与Z₀测量时的温度不是同一温度。因此拓宽量程下限的关键是温度误差特性的实时补偿。

实验表明，在10～1Pa真空范围内，其(Z-Z₀)等于数千欧姆，而真空范围为1Pa～0.1Pa时，则(Z-Z₀)却仅为数十欧姆。即随着真空度的提高，(Z-Z₀)逐渐变小。遗憾的是，倘若温度在-20～60℃范围改变，那么其Z₀可能变化数千欧姆。显然在较高真空范围，Z₀的温度误差就上升为主要矛盾。通常，Z₀的温度系数为10～20Ω/℃,可是在压力低于10²Pa时，温度每变化10℃，其压力误差为几％，而在较高压力下，例如1个大气压下，即使温度变化50℃，其压力误差也仅为1％，如果温度变化100℃，那么其压力误差也仅为2％。不言而喻，高真空范围内温度误差特性的实时补偿技术已成为扩展QRVS量程下限的技术瓶颈。

3)金属电极对Z₀特性不良影响的减少与消除

金属电极的材质、膜厚以及其工艺质量将引起音叉质量负载和静态电阻R₀的变化，此外电极的吸潮、氧化、腐蚀、老化都能引起其Z₀和R₀的改变。金/铬薄膜电极，容易吸潮，易被某些活性气体，例如活性氧、氯、氟气氧化或腐蚀，导致Z₀和R₀变大。实验表明，置于氯、氟气氛的石英音叉，只要1个星期，Z₀和R₀就可能增加1.5～2倍。

所以，现有的真空传感器存在稳定性和可靠性差、灵敏度差、量程范围窄的问题。

发明内容

本发明是为了解决现有的真空传感器存在稳定性和可靠性差、灵敏度差、量程范围窄的问题。现提供具有无电极谐振音叉的石英真空传感器。

具有无电极谐振音叉的石英真空传感器，它包括两个音叉叉臂1、支撑隔离区2、金属电极6和石英晶片7，

支撑隔离区2和两个音叉叉臂1均为矩形结构，两个音叉叉臂1结构均相同，两个音叉叉臂1设置在支撑隔离区2上表面的两端，且两个音叉叉臂1之间存在间隙，支撑隔离区2和两个音叉叉臂1为一体件结构，

每个音叉叉臂1与支撑隔离区2的边缘连接处均开有弧形凹槽4，

每个音叉叉臂1靠近顶端的前表面上均开有并行的两个通透形沟槽3，

在支撑隔离区2上，开设2至5个矩形通槽5，且2至5个矩形通槽5以两个音叉叉臂1的中心线为对称轴对称设置，

在两个音叉叉臂1之间的间隙处及支撑隔离区2和两个音叉叉臂1的四周分别设置与音叉叉臂1平行的石英晶片7，石英晶片7与支撑隔离区2和两个音叉叉臂1之间存在缝隙，且缝隙宽度均相等，

间隙处的石英晶片7两个侧壁上和四周的石英晶片7内壁上均贴有金属电极6，金属电极6和石英晶片7为一体件结构，且金属电极6与两个音叉叉臂1之间存在缝隙，

金属电极6用于形成静电场，石英晶片7用于使两个音叉叉臂1在静电场中产生水平方向的弯曲形变。

优选地，两个音叉叉臂1之间的间隙等于两个音叉叉臂1谐振波长的整数倍。

优选地，它还包括外电路，外电路通过引出导线与金属电极6连接，外电路用于给金属电极6提供能量，使两个音叉叉臂1在静电场中形成弯曲振动。

优选地，设每个音叉叉臂1的厚度均为t,两个音叉叉臂1的间距为g,t/g＝10。

本发明的有益效果为：

本申请将金属电极装配在各音叉叉臂的周边，金属电极与音叉叉臂隔开一微小间隙，形成一种非接触式电极，金属电极在音叉叉臂的各个对应区域分别形成了相应的静电场和电力线。因为石英晶体具有压电性，所以由于逆压电效应作用，两个音叉叉臂在金属电极形成的静电场区域产生了弯曲形变。由于外电路不断地供给能量，两个音叉叉臂会形成了弯曲振动。

当弯曲振动的音叉叉臂受到被测气体阻尼和摩擦作用时，其机械振动参数发生了变化。因为正压电效应的作用，在音叉叉臂与金属电极的对应区，分别建立了新的电场信号。该电场信号通过音叉叉臂与其周边间隙之间的电容耦合传递给金属电极，通过引出导线输出给外电路。因此利用该金属电极能够接收能量和输出敏感信号。

本申请采用一种通过压电场和静电场实现激励-接收功能的具有无电极谐振音叉的石英真空传感器，消除了金属电极与石英晶片材料物理扩散导致材料的“扩散改性”和“压电变硬”以及金属电极与音叉叉臂之间的热应力问题。因此不仅提高了传感器的灵敏度，而且改善了长期稳定性、可靠性。

本申请具有以下优点：

1、设音叉叉臂厚度为t,两音叉叉臂的间距为g,图4中现有的QRVS中t/g＝1，本申请采取t/g＝10，与现有真空传感器相比提升了真空传感器的灵敏度，并拓宽了量程下限。

2、为了充分地利用残存气体的粘性效应，增大音叉叉臂与其摩擦力，用激光或超声法在常规音叉叉臂的调频区，沿着叉臂长度方向加工4个通透形沟槽。

3、为了抑制寄生振动模式，减少音叉叉臂根部的机械疲劳，在两音叉叉臂的外边缘制作了弧形凹槽，同时在音叉叉臂的支撑隔离区，以每个音叉叉臂的中心线为对称轴加工了2～5个矩形通槽。

4、本申请所谓“无电极音叉”并不是不使用电极，只不过金属电极不设置在音叉叉臂上，而是分别装配在各音叉叉臂之周边，金属电极与音叉叉臂隔开一微小间隙，如图2所示，因此可降低或消除音叉的温漂、f漂移和时漂，提高其准确度和长期稳定性。

5、本申请的通透形沟槽3可提升具有无电极谐振音叉的石英真空传感器的灵敏度，理由如下：

1)因通透形沟槽3的开槽方向与音叉叉臂的振动方向垂直，故可增大振动阻尼。此外，显著地增加了音叉叉臂表面不平度，提升了与残存气体的摩擦力，增加了固有等效串联电阻Z₀的变化量，Z₀的变化量越高，则灵敏度越高。

2)通透形沟槽3显著增大了与残存气体的接触面积，从而音叉叉臂与更多的气体分子接触，提升碰撞频次，增大固有等效串联电阻Z₀的变化量。

附图说明

图1为两个音叉叉臂的外部结构示意图，图中M表示每个音叉叉臂的宽度；

图2为具有无电极谐振音叉的石英真空传感器的的横断面结构图，附图标记8表示音叉叉臂振动方向；

图3为图2的俯视图，附图标记9表示电力线；

图4为现有的石英真空传感器的结构示意图；

图5为双参数谐振式石英真空传感器的谐振频率、温度的特性曲线和其固有等效串联电阻(Z₀+Z_T)的温度特性曲线图，附图标记a表示f和T的线性函数关系，附图标记b表示固有等效串联电阻(Z₀+Z_T)与T的一一对应特性，附图标记A表示A点处f对应的T值，附图标记B表示B点下温度T所对应的(Z₀+Z_T)值。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的具有无电极谐振音叉的石英真空传感器，它包括两个音叉叉臂1、支撑隔离区2、金属电极6和石英晶片7，

支撑隔离区2和两个音叉叉臂1均为矩形结构，两个音叉叉臂1结构均相同，两个音叉叉臂1设置在支撑隔离区2上表面的两端，且两个音叉叉臂1之间存在间隙，支撑隔离区2和两个音叉叉臂1为一体件结构，

每个音叉叉臂1与支撑隔离区2的边缘连接处均开有弧形凹槽4，

每个音叉叉臂1靠近顶端的前表面上均开有并行的两个通透形沟槽3，

在支撑隔离区2上，开设2至5个矩形通槽5，且2至5个矩形通槽5以两个音叉叉臂1的中心线为对称轴对称设置，

在两个音叉叉臂1之间的间隙处及支撑隔离区2和两个音叉叉臂1的四周分别设置与音叉叉臂1平行的石英晶片7，石英晶片7与支撑隔离区2和两个音叉叉臂1之间存在缝隙，且缝隙宽度均相等，

间隙处的石英晶片7两个侧壁上和四周的石英晶片7内壁上均贴有金属电极6，金属电极6和石英晶片7为一体件结构，且金属电极6与两个音叉叉臂1之间存在缝隙，

金属电极6用于形成静电场，石英晶片7用于使两个音叉叉臂1在静电场中产生水平方向的弯曲形变。

本实施方式中，本申请的具有无电极谐振音叉的石英真空传感器，能够获得高灵敏度，增大了压电活性。本申请的石英真空传感器机械Q和电学Q值都比较高，并且Z随着真空度的变化大。初步测量表明，该音叉在－50～100℃温度范围内的一阶温度係数a＝－20ⅹ10^-6/℃，并且其机电耦合系数较大，压电活性高。

如图1所示，设置在音叉叉臂周边的石英晶的切型和取向与相邻音叉叉臂的切型和取向完全相同。它们的间距也相同。

实施例：

采用机械切叉法制作石英音叉，其切型是(zyw)-18°15’，音叉叉臂厚为5.2mm，t/g＝10。每个音叉叉臂靠近顶端的前表面上均开有并行的两个矩形通槽3，并且在两音叉叉臂的外边缘处分别制作了弧形凹槽4,在音叉叉臂的支撑隔离区，以每个音叉叉臂的中心线为对称轴加工了5个矩形通槽。在音叉叉臂的前后、左右和两叉臂之间分别插入与音叉叉臂平行的切型石英片。所述的各石英晶片与音叉叉臂的间距等于音叉叉臂谐振波长的整数倍，并且在石英晶片朝向音叉叉臂的表面分别制备了铬—金膜电极，其中铬膜厚度为0.4μm，金膜厚度为0.6μm。每个音叉叉臂外形尺寸为18×3.5×1.0mm，利用点焊法使各铬—金膜电极分别焊上金属引线，并且与外电路连接。

具有无电极谐振音叉的石英真空传感器的外形尺寸为40×20×15mm。

对本申请的结构进行测试，经实测，具有无电极谐振音叉的石英真空传感器的温度分辨率可达0.02℃，准确度为0.1℃，能够补偿温度变化产生的0.2Ω的Z₀误差，从而使其量程下限可扩展至5χ10^-3Pa。经标定，典型样品的技术指标如下(温度范围为10～50℃)：真空测量范围：10^-3Pa～10⁵Pa

分辨率：3×10^-3Pa，

准确度：10％F.S，

稳定性：1.5×10^-3Pa，

响应时间：优于0.3s(从10^-3Pa至10⁵Pa范围)。

关于石英音叉的无电极技术的探讨：

长期稳定性是QRVS的关键技术。音叉的无电极技术可以提高其准确度和长期稳定性，其原因如下：

1)金属电极能够给音叉叉臂带来某些应力，引起f漂移和Z₀的变动

石英的切、磨、抛、切叉等光学冷加工、化学刻蚀、蒸发或溅射金属电极等工序都可能给音叉叉臂带来应力：石英表面残余加工层中的应力，石英表面和电极之间的界面应力、音叉叉臂的弯曲振动在电极或石英表面产生的应力、音叉的装配带来的应力、电极引线产生的张力等皆能引起f和Z₀的变化。所述的应力大都随着温度变化，产生温漂。该应力也随着使用时间逐渐降低，但是也可能又产生了新的应力，出现时漂。显然，应力的释放或产生皆影响其准确度和长期稳定性。

2)金属电极的质量加载、氧化、重结晶效应将引起f漂移和Z₀的变动

电极对真空中残存气体的吸附和解吸，电极材料的氧化、腐蚀都将引起质量加载的改变；金属电极材料随着使用时间而还能产生重结晶现象，也将引起质量加载的变动；金属电极与石英晶片的相互扩散将引起它们的弹性模量、压电常数、介电常数和附着力的变化，从而引起f漂移和Z₀的变动。

本申请的金属电极不设在音叉叉臂片上，金属电极与音叉叉臂隔开一微小的缝隙，因此可降低或消除音叉的温漂和f漂移和时漂，提高其准确度和长期稳定性。

具有无电极谐振音叉的石英真空传感器设计的理念：

其设计理念是建筑在石英音叉的f对F的灵敏度甚低(实验证明，F从10^-4Pa变化至100kPa，其f仅变化几H_z)之基础上。因此，可以把f、Z、F、T的两个并联的四元函数方程组简化为两个并联的一元函数线性方程组之关系。显然能够综合地利用石英音叉的双谐振参数——f和Z同时地敏感真空度和温度量，并进行温度特性的实时补偿；不仅消除了真空测量的温度误差，提高了准确度，而且拓宽了量程的下限，起到一石二鸟的功效。

本申请的真空度值为：综合地利用f和T的线性函数关系(如图5的附图标记a所示)以及(Z₀+Z_T)与T的一一对应特性(如图5的附图标记b所示)，检测音叉的f能够确定T值(如图5的A点所示)，再根据T值推算出(Z₀+Z_T)值(如图5的B点所示)。此时只要测量出Z值，计算差值⊿Z＝Z-(Z₀+Z_T)，则能精密地确定真空度值。

具体实施方式二：本实施方式是对具体实施方式一所述的具有无电极谐振音叉的石英真空传感器作进一步说明，本实施方式中，两个音叉叉臂1之间的间隙等于两个音叉叉臂(1)谐振波长的整数倍。

具体实施方式三：本实施方式是对具体实施方式一所述的具有无电极谐振音叉的石英真空传感器作进一步说明，本实施方式中，它还包括外电路，外电路通过引出导线与金属电极6连接，外电路用于给金属电极6提供能量。

具体实施方式四：本实施方式是对具体实施方式一所述的具有无电极谐振音叉的石英真空传感器作进一步说明，本实施方式中，设每个音叉叉臂1的厚度均为t,两个音叉叉臂1的间距为g,t/g＝10。

Claims (4)

1.具有无电极谐振音叉的石英真空传感器，其特征在于，它包括两个音叉叉臂(1)、支撑隔离区(2)、金属电极(6)和石英晶片(7)，

支撑隔离区(2)和两个音叉叉臂(1)均为矩形结构，两个音叉叉臂(1)结构均相同，两个音叉叉臂(1)设置在支撑隔离区(2)上表面的两端，且两个音叉叉臂(1)之间存在间隙，支撑隔离区(2)和两个音叉叉臂(1)为一体件结构，

每个音叉叉臂(1)与支撑隔离区(2)的边缘连接处均开有弧形凹槽(4)，

每个音叉叉臂(1)靠近顶端的前表面上均开有并行的两个通透形沟槽(3)，

在支撑隔离区(2)上，开设2至5个矩形通槽(5)，且2至5个矩形通槽(5)以两个音叉叉臂(1)的中心线为对称轴对称设置，

在两个音叉叉臂(1)之间的间隙处及支撑隔离区(2)和两个音叉叉臂(1)的四周分别设置与音叉叉臂(1)平行的石英晶片(7)，石英晶片(7)与支撑隔离区(2)和两个音叉叉臂(1)之间存在缝隙，且缝隙宽度均相等，

间隙处的石英晶片(7)两个侧壁上和四周的石英晶片(7)内壁上均贴有金属电极(6)，金属电极(6)和石英晶片(7)为一体件结构，且金属电极(6)与两个音叉叉臂(1)之间存在缝隙，

金属电极(6)用于形成静电场，石英晶片(7)用于使两个音叉叉臂(1)在静电场中产生水平方向的弯曲形变。

2.根据权利要求1所述的具有无电极谐振音叉的石英真空传感器，其特征在于，两个音叉叉臂(1)之间的间隙等于两个音叉叉臂(1)谐振波长的整数倍。

3.根据权利要求1所述的具有无电极谐振音叉的石英真空传感器，其特征在于，它还包括外电路，外电路通过引出导线与金属电极(6)连接，外电路用于给金属电极(6)提供能量，使两个音叉叉臂(1)在静电场中形成水平方向的弯曲振动。

4.根据权利要求1所述的具有无电极谐振音叉的石英真空传感器，其特征在于，设每个音叉叉臂(1)的厚度均为t,两个音叉叉臂(1)的间距为g,t/g＝10。