CN110044512A - 一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器 - Google Patents

Abstract

一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，涉及谐振式石英音叉温度传感器领域。本发明是为了解决现有的石英音叉温度传感器存在的问题。本发明本实施方式的石英音叉热敏谐振器两个叉臂通过连接部与基部相连、且两个叉臂和基部位于连接部31的同侧或两侧，两个叉臂首端之间具有夹角，非平行的两叉臂的伸出方向将导致总体方位误差变小。具有异型叉臂的谐振式石英音叉热敏谐振器的晶体切型是ZYtW(115°±3°)/(44±5°)。两者的迭加，将使得对晶体工艺综和误差要求不苛刻。适用于医学肿瘤的治疗监测、兽用直肠温度计、计划生育妇女体温计、地震井地震前兆监测以及石油井环空温度检测仪表。

Description

一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器

技术领域

本发明属于谐振式石英音叉温度传感器领域，尤其涉及传感器的叉臂。

背景技术

传统的谐振式石英音叉温度传感器皆是由两枚尺寸相同、相互平行、并且左右对称叉臂的热敏石英音叉谐振器构成的。其主要特征是，该石英音叉温度传感器的热敏音叉谐振器的二枚叉臂皆从其基部区向外平行地伸出，并且在该两叉臂所构成的平面内，二枚叉臂彼此平衡地向相反方向进行弯曲振动，构成一种“面内弯曲振动”，即所谓的“厚度弯曲振动”模式。例如：论文《低成本高性能的谐振式石英音叉温度传感器》、《一种低成本高性能的谐振式石英音叉温度传感器》(发表在英国的《传感器评论》杂志)、和实用新型专利CN201314848Y《一种谐振式石英晶体温度传感器》、和德国、俄罗斯、日本、英国等的谐振式石英晶体温度传感器产品样本。

常规谐振式石英音叉温度传感器的石英音叉结构如图5所示。通常其晶片厚度为0.1～0.35mm，两叉臂的外侧成直线状、宽度皆为W、且两叉臂关于石英音叉的中心线是轴对称的。石英音叉温度传感器的基区宽度B、W与两叉臂的间距D的关系为：B＝2W+D。

当石英音叉温度传感器没有承受加速度影响时，两叉臂的前端位置状态如图6(A)所示，而当其受到加速度作用时，两叉臂的前端位置状态如图6(B)所示。如果把石英音叉温度传感器的叉臂内侧与叉臂外侧的状态相互对照，那么会观察到，两叉臂向其内侧方向出现了明显的扭曲形变。此时，从两叉臂方向面向其基区观测时，则在两叉臂与基区的连接处附近区域将产生明显的应力集中现象。该应力集中现象往往将导致两叉臂与基区的连接处附近区域或其叉臂出现裂纹，甚至使得石英音叉温度传感器损坏。特别是目前石英音叉温度传感器最细的叉臂宽度为0.15～0.3mm，最长的叉臂为2.5～5.16mm，这使得石英音叉温度传感器特性变差、损坏的几率更大。

显然，它的机械强度和耐机械振动、抗加速度影响能力极需改善。此外，目前采用宽度弯曲振动模式工作的谐振式石英晶体温度传感器还存在一些不尽人意之处，例如：在现有技术中采用的谐振式石英音叉热敏谐振器的晶体切型的定位精度和光学冷加工工艺要求苛刻，要求与石英晶体的Y轴(机械轴)、Z轴(光轴)以及X轴(电轴)偏离精度很高，通常要求小于等于1’。否则，将严重地影响谐振式石英晶体温度传感器的准确度、一致性和稳定性。

因此，目前在该领域中，迫切地需求一种结构简单、体积小、准确度高、一致好、耐机械振动、抗加速度、对晶体工艺误差要求不苛刻、成品率高的高性能谐振式石英音叉温度传感器。

发明内容

本发明是为了解决现有的石英音叉温度传感器存在的上述问题，现提供一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器。

一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，包括：管帽、管座、石英音叉热敏谐振器和绝缘子，管帽盖合在管座上表面、二者之间形成密封空间，绝缘子的顶端穿过管座伸入该密封空间内部，石英音叉热敏谐振器位于密封空间内；

石英音叉热敏谐振器包括连接部、两个叉臂和基部；两个叉臂的首端通过连接部与基部的首端相连、且两个叉臂和基部位于连接部的同侧或相对的两侧，两个叉臂呈镜像对称设置，两个叉臂的表面均设有多个叉臂盲孔，连接部表面设有多个连接部盲孔；

基部的末端通过绝缘子的顶端固定在密封空间内部。

上述绝缘子为可伐合金丝-玻璃绝缘子，该可伐合金丝-玻璃绝缘子包括两个管脚，

两个管脚的顶端均穿过管座伸入密封空间内部，基部的末端夹持在两个管脚的顶端之间，

两个管脚与管座之间填充有绝缘体。

上述管脚为镀金的可伐合金丝管脚，绝缘体为玻璃粉绝缘体。

上述管脚的顶端通过金属薄膜汇流条与基部相连。

上述两个叉臂首端之间具有夹角。

上述两个叉臂首端之间的距离大于或小于两个叉臂末端之间的距离。

上述两个叉臂的四周表面均设有激励电极。

上述管帽为锌白铜合金管帽。

上述管座为可伐合金管座。

本发明采用晶体切型是ZYtW(115°±3°)/(44±5°)。其主模式——弯曲振动模式的频谱干净，没有明显的寄生振动模式。换言之，它对寄生振动模式抑制能力很强。使用该石英晶体切型的目的是为了有效地利用石英晶体的各向异性，获得很高的温度分辨率、低寄生振动模式，以及对于工艺误差要求不苛刻。

采用本发明的装配结构以及具有异型叉臂和双转角石英晶体热敏切型ZYtW(115°±3°)/(44±5°)大幅度地减少了谐振能量的漏泄和寄生振动模式的干扰，显著地提升了谐振式温度传感器的Q值(品质因数)，改善了传感器的温度分辨率，提升了响应速度，扩展了温度工作范围和耐机械振动和抗冲击工作能力。实验表明，经受0～1000Hz的振动和在X、Y、Z三方向10g冲击试验后，传感器特性几乎无变化，在地震井地震前兆监测以及石油井环空温度检测的装载试验表明，性能优异，可以完全满足产品的例行试验要求。

它可用于医学肿瘤的治疗监测、兽用直肠温度计、计划生育妇女体温计、地震井地震前兆监测以及石油井环空温度检测仪表和以它为关键部件的需要“高精度”、“快响应”、“高机械强度”“抗电磁干扰”、“耐核辐射”的测温系统中，属于光机电一体化的的谐振式传感器技术领域。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的谐振式石英音叉温度传感器的结构示意图；

图2为具体实施方式一所述的石英音叉热敏谐振器的结构示意图；

图3为具体实施方式二所述的石英音叉热敏谐振器的结构示意图；

图4为具体实施方式三所述的石英音叉热敏谐振器的结构示意图；

图5为背景技术所述的传统谐振式石英音叉温度传感器的热敏谐振器的结构示意图；

图6为图5的仰视图，其中(A)表示没有承受加速度，(B)表示承受加速度。

具体实施方式

具体实施方式一：参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，包括：管帽1、管座2、石英音叉热敏谐振器3和绝缘子，管帽1盖合在管座2上表面、二者之间形成密封空间，绝缘子的顶端穿过管座2伸入该密封空间内部，石英音叉热敏谐振器3位于密封空间内；

如图2所示，本实施方式的石英音叉热敏谐振器3包括连接部31、两个叉臂32和基部33；两个叉臂32的首端通过连接部31与基部33的首端相连、且两个叉臂32和基部33位于连接部31的同侧，两个叉臂32呈镜像对称设置、且基部33位于两个叉臂32之间。该结构的工作模式是厚度弯曲振动，与传统石英音叉结构不同，它的两个叉臂32和基部33不是分设在两个相反方向，而是设置在同一方向，其叉臂的长度方向是石英晶体的机械轴方向，叉臂宽度方向是石英晶体的电轴方向，叉臂厚度方向是石英晶体的光轴方向。

两个叉臂32首端之间具有夹角，两个叉臂32首端之间的距离大于两个叉臂32末端之间的距离。由于两叉臂的伸出方向不是平行的，而是形成一个微小的夹角，因此即使两叉臂的伸出方向与理想切型的取向存在微小的误差，可是非平行的两叉臂的伸出方向将导致总体方位误差变小。况且具有异型叉臂的谐振式石英音叉热敏谐振器的晶体切型是ZYtW(115°±3°)/(44±5°)。两者的迭加，将使得对晶体工艺综合误差要求不苛刻。此外，具有异型叉臂的谐振式石英音叉热敏谐振器耐机械振动、抗加速度能力强，成品率高。

两个叉臂32的表面均设有多个叉臂盲孔8，叉臂盲孔8为椭圆形，其目的是提高激励效率和减少与外界的耦合，提高抗干扰能力。连接部31表面设有多个连接部盲孔9；连接部盲孔9为椭圆形，其功能有二：1、隔离外界的机械振动，防止传入两个叉臂32，进而防止其振动台干扰谐振式石英音叉热敏谐振器的工作；2、防止两个叉臂32的谐振能量外泄导致的Q值降低，进而防止其对谐振式石英晶体温度传感器的准确度和稳定性的影响。

基部33的末端通过绝缘子的顶端固定在密封空间内部。

进一步的，绝缘子为可伐合金丝-玻璃绝缘子，该可伐合金丝-玻璃绝缘子包括两个管脚4，两个管脚4的顶端均穿过管座2伸入密封空间内部，基部33的末端夹持在两个管脚4的顶端之间，两个管脚4与管座2之间填充有绝缘体5。

2枚镀金的可伐合金丝管脚担负了与外电路的电学连接任务。该石英音叉谐振器的各叉臂在振动(工作)状态和静止(非工作)状态下皆与其一体化封装结构不接触。

本实施方式中采用异型叉臂的目的是有效地利用石英晶体的各向异性的特性，尤其是利用双转角石英晶体热敏切型-ZYtW(115°±3°)/(44±5°)在44°±5°转角的平面内，其频率-温度热敏斜率随着石英晶体切割角误差变化较小，并且其频率-温度系数较高，寄生振动模式很少。因此，温度分辨率优异，准确度高。此外，采用本实施方式所述的石英音叉热敏谐振器3还能够缩小谐振式石英音叉温度传感器的体积，提高其温度响应速度，改善其机械强度，安装方便。更重要的是具有异型叉臂的谐振式石英音叉热敏谐振器能够更有效地发挥本发明的双转角石英晶体热敏切型的优点，不仅使得谐振式石英音叉温度传感器的Q值高而且对晶体工艺误差要求不苛刻。

具体实施方式二：参照图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器与具体实施方式一所述的谐振式石英音叉温度传感器的区别在于：两个叉臂32首端之间的距离小于两个叉臂32末端之间的距离，其余结构与具体实施方式一完全相同。

具体实施方式三：参照图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器与具体实施方式一所述的谐振式石英音叉温度传感器的区别在于：本实施方式两个叉臂32和基部33位于连接部31相对的两侧，两个叉臂32呈镜像对称设置。该结构的工作模式是厚度弯曲振动，与传统石英音叉结构不同，它的两个叉臂32和基部33分设在两个相反方向，其叉臂的长度方向是石英晶体的机械轴方向，叉臂宽度方向是石英晶体的电轴方向，叉臂厚度方向是石英晶体的光轴方向。

两个叉臂32首端之间具有夹角，两个叉臂32首端之间的距离大于两个叉臂32末端之间的距离。

进一步的，上述具体实施方式一、二和三中，管脚4为镀金的可伐合金丝管脚，绝缘体5为玻璃粉绝缘体。管脚4的顶端通过金属薄膜汇流条6与基部33相连。两个叉臂32的四周表面均设有激励电极7。管帽1为锌白铜合金管帽。管座2为可伐合金管座。石英音叉热敏谐振器3的晶体切型为ZYtW(115°±3°)/(44±5°)。

Claims (10)

1.一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，包括：管帽(1)、管座(2)、石英音叉热敏谐振器(3)和绝缘子，管帽(1)盖合在管座(2)上表面、二者之间形成密封空间，绝缘子的顶端穿过管座(2)伸入该密封空间内部，石英音叉热敏谐振器(3)位于密封空间内；

其特征在于，石英音叉热敏谐振器(3)包括连接部(31)、两个叉臂(32)和基部(33)；两个叉臂(32)的首端通过连接部(31)与基部(33)的首端相连、且两个叉臂(32)和基部(33)位于连接部(31)的同侧或相对的两侧，两个叉臂(32)呈镜像对称设置，两个叉臂(32)的表面均设有多个叉臂盲孔(8)，连接部(31)表面设有多个连接部盲孔(9)；

基部(33)的末端通过绝缘子的顶端固定在密封空间内部。

2.根据权利要求1所述的一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，其特征在于，绝缘子为可伐合金丝-玻璃绝缘子，该可伐合金丝-玻璃绝缘子包括两个管脚(4)，

两个管脚(4)的顶端均穿过管座(2)伸入密封空间内部，基部(33)的末端夹持在两个管脚(4)的顶端之间，

两个管脚(4)与管座(2)之间填充有绝缘体(5)。

3.根据权利要求2所述的一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，其特征在于，管脚(4)为镀金的可伐合金丝管脚，绝缘体(5)为玻璃粉绝缘体。

4.根据权利要求2或3所述的一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，其特征在于，管脚(4)的顶端通过金属薄膜汇流条(6)与基部(33)相连。

5.根据权利要求1所述的一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，其特征在于，两个叉臂(32)首端之间具有夹角。

6.根据权利要求5所述的一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，其特征在于，两个叉臂(32)首端之间的距离大于或小于两个叉臂(32)末端之间的距离。

7.根据权利要求1、2或5所述的一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，其特征在于，两个叉臂(32)的四周表面均设有激励电极。

8.根据权利要求1、2或5所述的一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，其特征在于，管帽(1)为锌白铜合金管帽。

9.根据权利要求1、2或5所述的一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，其特征在于，管座(2)为可伐合金管座。

10.根据权利要求1、2或5所述的一种采用异型叉臂的谐振式石英音叉温度传感器，其特征在于，石英音叉热敏谐振器(3)的晶体切型为ZYtW(115°±3°)/(44±5°)。