CN113865740A - 一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及谐振式传感器技术领域，并且公开了一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器，它由一体化封装部件和异形拉梅模热敏谐振器构成。后者以“微型锥状石英条形片”为基础，并采用以其锥状尾端作为“单端式支撑装架”之结构，呈“手术刀片”状；使用(yxlt)(23°～45°)/(70°～75°)石英热敏切型，基频、拉梅模式工作。内部充填了导热优异的氦气或氮气，其含量为1.0Pa～1.3kPa。为了提升异形拉梅模热敏谐振器的能阱作用以及对高次弯曲振动模、厚度切变等寄生模的抑制，使用了“振动模式选择性阻尼加权方案”。它解决了本行业的低工作频率与高分辨率、耐恶劣环境工作与高准确度和优异长期稳定不可同时兼得的难题；传感器特性稳定，可3年免标定。

Description

一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器

技术领域

本发明涉及谐振式石英温度传感器技术领域，具体为一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器。

背景技术

谐振式石英温度传感器是一种新颖的数字传感器，它以超高分辨率、高准确度、高稳定、耐恶劣环境工作、频率信号输出等优良特性而闻名。目前问世的谐振式石英温度传感器大致有两大类：

1、采用厚度切变模式的高频谐振式石英温度传感器，例如，美国Hammond等人在1965年发表了一种采用LC切型的厚度切变模石英温度传感器(参见ISA Transactions,Vol.4,No.4,pp.349-354)。这是国际上首次研制成功的谐振式石英温度传感器。此外，采用厚度切变模的高频谐振式石英温度传感器还有美国专利US4039969“石英温度计”、本发明人之一的中国发明专利CN100554900“适宜水下检测的精密快响应谐振式石英温度传感器”和CN100555840“石英热敏谐振器”等。

2、采用弯曲振动模或扭曲振动模的低频谐振式石英温度传感器，例如美国专利US4299122“石英温度计”(采用弯曲振动模)、美国专利US4592663“谐振器型温度传感器”(采用扭曲振动模)、美国专利US4437773“石英温度计”(采用扭曲振动模)。

谐振式石英温度传感器的工作机制是“谐振”，其输出信号是频率；由于它不是依靠分子热运动产生的“电阻”或“热电动势”特性工作的，因此谐振式石英温度传感器不仅中温和低温特性优异，而且其超低温(低至-269℃)的特性也颇为优异。它的主要优点如下：

1、输出信号是频率，不必使用A/D变换就可直接输入计算机，因此以它为核心的温度仪表特性没有由于放大器、A/D变换器引进的温度漂移、时间漂移。此外，电源电压稳定度对测量准确度的影响很小。

2.温度分辨率很高，可达10^-6，是目前世界的最高的一种温度传感器。

3.重复性好，长期稳定性佳，时间漂移可低于10^-2/年，温度的漂移可小于10^-3。

4、耐核辐照能力强，可高达20万Rad。

可是目前问世的谐振式石英温度传感器却存在如下缺点：

1、厚度切变振动模式的分辨率最高，长期稳定性最佳，准确度最好，可是其工作频率较高(10～28MHz)，为了保证稳定振荡，其振荡电路必须紧邻石英敏感元件，通常它的石英热敏谐振器与外围电路的距离不能大于500mm。

2、虽然石英热敏谐振器的耐核辐照工作能力较强，可是石英温度传感器组件中的硅半导体IC却是抗核辐照、耐高温方面的短板。最简单的方法是把石英热敏谐振器放置在核辐照强度较高的区域，而由硅半导体IC构成的外围电路置于低核辐照、常温区域。从而改善谐振式石英温度传感器组件整体的耐核辐照、抗高温工作能力。目前石英热敏谐振器与外围电路的500mm左右的间距限制了高频厚度切变振动模石英温度传感器的应用范围。

3、厚度切变模式的石英温度传感器的高工作频率，因此不仅导致其成本高，而且功耗较大，一般为数mW～数十mW。显然，不太适宜要求低功耗的袖珍仪器、火箭、卫星等航天设备使用。

4、通常工作频率越高，获得良好的电磁兼容性(EMC，即ElectromagneticCompatibility)越困难；尤其多路频率传感信号邻近传输时，高频频率牵引现象更加严重。

5、采用弯曲振动模式或扭曲振动模式的音叉型石英温度传感器的工作频率低，可低于40kHZ，其石英热敏谐振器与配合之外围电路的距离可以可达3～10m，其Q值较高，功耗小，可是由于它的Q值(品质因数)不及厚度切变模式的石英温度传感器，其分辨率、准确度和长期稳定性却都无法与厚度切变振动模式竞争。

6、目前的各种振动模式的石英温度传感器产品对于压力都比较敏感，尤其是厚度切变振动模式。显然，不太适宜在超高压力环境条件下使用。

简言之，目前的各种振动模式的石英温度传感器产品在准确度、稳定性、耐恶劣环境工作能力和功耗等特性还存在较多的不尽人意之处。据调研，现在某些行业迫切需要一种工作频率不高(介于厚度切变模式与弯曲振动模式或扭曲振动模式之间)、其外形小于或等于￠2*6mm、响应速度快、Q值高、准确度优异，并且耐核辐射、抗磁场、对压力不敏感的、耐恶劣环境工作的高稳定谐振式石英温度传感器。

发明内容

本发明的目的是提供一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器，其工作频率位于弯曲振动模式、扭曲振动模式与厚度切变振动模式之间，不仅兼有弯曲振动模式、扭曲振动模式与厚度切变振动模式的优点，而且抛弃它们的某些缺点，例如具有对于压力不敏感等高稳定特性，对工艺误差要求也不太苛刻。换言之，其分辨率高、线性度好，工作温区范围宽，准确度高，长期稳定性优，抗核辐照能力强，耐磁场工作能力佳，对环境的压力干扰不太敏感，此外，对工艺误差要求不苛刻，生产成本低，一致性好，从而解决了在背景技术中所指出的问题。

拉梅模(Lamé-mode)石英谐振器是一种新型谐振器件，它的Q值和稳定性(温漂和时漂)都可以与厚度切变振动模式相媲美的。目前它的谐振器晶片大都是采用1枚正方形石英晶体片或数枚正方形石英晶体片元的组合——由n枚正方形石英谐振单元纵向排列的1*n型谐振结构、m个正方形石英谐振单元与由n枚正方形石英谐振单元按照m列进行纵、横向交错排列的m*n型谐振结构，例如从中国专利CN200966035Y所公布的结构就可见一癍。

此外，目前拉梅模(Lamé-mode)石英谐振器的支撑装架结构型式大都是“两向双端支撑装架结构”或“以位于晶片中央区的拉梅模振动节点”为连接支撑点的经典结构，例如中国专利CN200966035Y。目前传统的拉梅模石英谐振器的主要缺陷和不尽人意之处是不能兼得下述特性：低频工作、小体积、低寄生振动模式、低串联等效电阻、高性能、高稳定、低工艺难度。

更令人遗憾的是，由于受到设计理论模型的束缚、相应配套工艺的不匹配、传感器的装架封装、电路软、硬件等外围拦路虎以及需求牵引等的限制，虽然拉梅模石英谐振器已经问世多年，但是至今仍没有采用拉梅模的石英传感器产品在国际传感器舞台上崭露头角。

为了实现本发明所述的目的，现在公布一种采用异形拉梅模谐振器的高稳定谐振式石英温度传感器，其技术方案如下：

一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器由一体化封装部件1和异形拉梅模石英热敏谐振器2构成，如图1和2所示。其封装结构外形尺寸小于或等于￠2*6mm；

异形拉梅模石英热敏谐振器2位于一体化封装部件1的内部，一体化封装部件1由内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管帽3和内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管座4构成；

内外表面溅射有钨铜层的所述科伐合金管座4包括第一玻璃粉绝缘子5、第二玻璃粉绝缘子8、第一管脚6、第二管脚7；

第一管脚6、第二管脚7皆由镀镍的科伐合金构成，它们依次安装在第一玻璃粉绝缘子5、第二玻璃粉绝缘子8之中，可利用激光焊接法、钎焊工艺把内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管帽3与内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管座4气密封接在一起，构成了一体化封装部件1。

第一管脚6与异形拉梅模石英热敏谐振器2的第一枚多层特种合金薄膜连接电极18相连，而第一枚多层特种合金薄膜连接电极18又与第一枚多层特种合金薄膜电极16相连；第二管脚7与异形拉梅模石英热敏谐振器2的第二枚多层特种合金薄膜连接电极17(位于石英晶体片11的背面，以虚线表示)相连，而第二枚多层特种合金薄膜连接电极17又与第二枚多层特种合金薄膜电极15(位于石英晶体片11的背面，以虚线表示)相连；

异形拉梅模石英热敏谐振器2的结构如图3所示，它采用拉梅振动模式、基频工作，其心脏部分是石英晶体片11及其对应的关联电极。

为了使本发明的谐振式石英温度传感器外形尺寸小于或等于￠2*6mm，则其芯片的外形尺寸最好能小于0.9*3.65*0.05mm。遗憾的是，目前的各种石英温度传感器皆不能满足此要求。由于拉梅模石英谐振器的工作频率以及频温特性曲线几乎与它的厚度尺寸无关，仅取决于其外形轮廓的尺寸。因此，本发明的异形拉梅模石英热敏谐振器2充分地发挥拉梅振动模式的优点，首次使用了适宜拉梅模石英热敏谐振器的石英晶体热敏新切型和异形拉梅模石英热敏谐振器，并且对异形拉梅模石英热敏谐振器的外形、结构、激励电极形状、电极组分及其连接结构、石英谐振器的支撑与装架外连结构、石英温度传感器封装的气氛和寄生振动模式抑制等进行了某些继承、改造和创新：石英晶体片11并没有采用传统拉梅模石英谐振器的正方形石英晶体片或数枚正方形石英晶体片单元的组合结构，也没有采取“金属激励电极在石英晶体片表面的占空比为100％”之经典设计，也没有使用拉梅模石英谐振器传统的以“位于晶片中央区的拉梅模振动节点”位置作为支撑与外连结构中心点之常规结构，也没有采取目前拉梅模谐振器惯用的“双向双端支撑装架结构”型式，而是以“微型锥状石英条形片”为基础，把它的锥状石英条形片尾端作为“单端式支撑装架”的一种新式结构，同时施加了“振动模式选择性阻尼加权”处理方案,从而能够对异形拉梅模石英热敏谐振器2的主工作模式以及某些高阶弯曲振动模、低阶厚度切变模等寄生振动模式产生选择性强化、抑制、阻尼、滤波、衰减效果，构成了一种“具有单向、单端式支撑装架结构”的高性能高稳定谐振式石英温度传感器。该结构不仅与大多数行业惯用的测温探头结构及其安装工艺颇为匹配，而且其体积小，响应速度快，耐恶劣环境工作能力强，特别适宜飞机、人造卫星、核工业、军舰、轮船、常规武器以及工业过程自动控制使用。

参见图3，异形拉梅模石英热敏谐振器2的石英晶体片11是一种微型的锥状石英条形片，其外形大体为“手术刀片”状，厚度为t；它包括主工作区12和支撑区13；主工作区12位于石英晶体片11的前端；支撑区13位于石英晶体片11的后端，主工作区12与支撑区13两者紧密相连，是一体化的单片结构。

其主工作区12的前端是直径为B1的半圆形结构区，后端是宽度等于B1、长度等于A1的矩形23之结构区；在矩形之结构区的上、下表面分别设置了金属激励电极——第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15，该矩形结构区上表面的法线坐标方向是石英晶体的Y′轴(机械轴)方向；

本发明的谐振式石英温度传感器是一种使用异形拉梅模石英热敏谐振器、基频工作的单向单端型谐振式石英温度传感器。石英晶体片11没有采用拉梅模石英谐振器传统的正方形石英晶体片或数枚正方形石英晶体片单元的组合结构，而采用“手术刀片”状之锥状石英条形片的目的是同时降低等效串联电阻，提升Q值，减少石英晶体片11外形尺寸，提高响应速度，改善其机械强度。此外，便于适应某些高技术行业惯用的温度探头结构形式，有利于应用推广。

异形拉梅模石英热敏谐振器谐振频率f主要是由B1决定的，晶片厚度对谐振频率f的影响甚微，即f≈1/B1。此外，应注意选择A1与B1值的最佳配合比：

有限元法计算和实验结果表明，A1/B1越大，则热敏石英谐振器的Q值越高；当A1/B1＝5.6～5.9时，其Q值处于高峰值区，可是当A1/B1>6时，其Q值趋于饱和，即A1/B1＝5.6～5.9最佳。

支撑区13的外形呈直角梯形之形状，直角梯形的一条直角边与主工作区12矩形的下边缘共一条直线，成为石英晶体片11的锥状石英条形片下底边；该直角梯形的上边缘为斜线边，并且斜线边与其主工作区12的矩形上边缘吻接。所述石英晶体片11的锥状石英条形片下底边的坐标方向是石英晶体的X′轴(电轴)方向，而支撑区13之直角梯形的右底边(即支撑区13宽度尺寸最小之处)的坐标方向是石英晶体的Z′轴(光轴)方向。

设支撑区13之直角梯形的左面底边的长度为w1，直角梯形的右底边的长度为w2，直角梯形的下边缘的长度为L1；换言之，支撑区13与主工作区12连接处的最大宽度为w1，支撑区13的最小宽度为w2,直角梯形的高度为L1,则

B1＝w1，0.1≤(w2/B1)≤0.9，并且w1≥2t，(L1+A1+0.5B1)≥4B1。必须强调的，根据材料力学知识和有限元法计算可知，本发明的“手术刀片”状的石英晶体片不仅机械强度很高，而且它对于异形拉梅模石英热敏谐振器2的能阱效应强，导致支撑区13末端最小宽度为w2附近的振动位移几乎为零，因而有效地提升了异形拉梅模石英热敏谐振器2的Q值，也为进一步缩小支撑区13的长度，提高传感器响应速度奠定了基础。

所述的对应的关联电极是指分别设置在主工作区12的上、下表面的第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15以及设置在支撑区13的上、下表面的第一枚多层特种合金薄膜连接电极18和第二枚多层特种合金薄膜连接电极17。

第一枚多层特种合金薄膜连接电极18与位于同一表面上的第一枚多层特种合金薄膜电极16相连，第二枚多层特种合金薄膜连接电极17与位于同一表面上的第二枚多层特种合金薄膜电极15相连。

为了提升设置在主工作区12的上、下表面的第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15对主振动模式——拉梅模的激励强度，抑制其频率附近的寄生振动模式，本发明没有采取“金属激励电极在石英晶体片表面的占空比为100％”之传统设计，而是采取下述方法：

第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15的形状是前端是B2直径的半圆形、后端是宽度等于B2、长度等于A2的矩形；它们分别设置在主工作区12内，即位于前端是B1直径的半圆形、后端是宽度等于B1、长度等于A1的矩形结构区内，并且第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15的几何中心与主工作区12的几何中心重合，两者的图形取向方向一致。

设第一枚多层特种合金薄膜电极16前端是B2直径的半圆形电极，其后端是B2(宽)*A2(长)矩形电极，即第一枚多层特种合金薄膜电极16的最大长度为d1,而石英晶体片11的前端是B1直径的半圆形石英晶片，后端是B1(宽)*A1(长)矩形的石英晶片，即其石英晶片之最大长度为D1,则d1＝(0.50～0.80)D1，B2＝(0.30～0.95)B1。

实验表明，当d1＝0.77D1，B2＝(0.65～0.95)B1时，第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15对拉梅模的激励效率最高，对高阶弯曲振动模式、厚度切变模式等寄生振动模式的抑制度可高达6～25dB。

本发明的“单向、单端式的晶体片支撑装架结构”能够缩小支撑装架结构的物理尺寸，提高传感器的响应速度，降低工艺难度，减少生产成本，但是它是一把双刃剑，也带来一些副作用：

与常规拉梅模热敏石英谐振器相比，由于异形拉梅模石英热敏谐振器2的晶片轮廓尺寸之变更以及外形的超小型化，将导致在主振动模式——拉梅模谐振频率附近产生一些寄生振动模式，例如，由晶片轮廓的长度尺寸和宽度尺寸决定的高次弯曲振动模式以及由晶片轮廓的长度尺寸和厚度尺寸决定的另外的高次弯曲振动模式可能将与拉梅模发生强烈的耦合，它们使得主振动模式能阱效应变差，频率-温度特性曲线出现奇异峰或活力谷，从而降低了传感器频温特性的线性度和稳定性。因此，本发明提出了“振动模式选择性阻尼加权方案”和一种“适宜异形拉梅模石英热敏谐振器使用的热敏石英新切型”措施，弥补所述不足。

“振动模式选择性阻尼加权方案”和“适宜异形拉梅模石英热敏谐振器的热敏石英新切型”石英晶片能够大幅度地降低寄生模式(例如高阶弯曲振动模式、厚度切变模式等)的激励效率和增加传播阻尼、损耗，而对拉梅模的激励效率却影响不大，从而提升对于拉梅模的能阱作用，减少(0.5B1+L1+A1)/B1之值,缩小异形拉梅模石英热敏谐振器的体积，进一步提高响应速度，提高异形拉梅模石英热敏谐振器的Q值，选择性地增大了寄生模式在支撑区内的阻尼和衰减，而对主工作模式——拉梅模的衰减却比较小。

所述的“振动模式选择性阻尼加权方案”的第一个特征是：

参见图5，与目前拉梅模谐振器使用的激励、接收电极设定的位置和结构完全不同，所述的第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15并不是设置在晶片主工作区12的常规地方——“主工作区12的中心位置(以拉梅模的振动节点为中心)”区，即第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15的上、下边缘相对于主工作区12晶片的上、下矩形边缘的距离并不相等；而是故意使其向右上方移动一距离，从而偏离了“主工作区12的中心位置(以拉梅模的振动节点为中心点)”；换言之，第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15的上边缘与主工作区12的晶片的上边缘之距离小于第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15下边缘与主工作区12下边缘之距离，并且其位置向右边偏置。

根据有限元法和时域有限差分法(FD-TD)的计算以及实验结果可知，第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15在主工作区12晶片上“偏离以拉梅模的振动节点为中心”的设计，不仅大幅度地抑制了高阶弯曲模式、厚度切变模式等寄生模式信号强度，而且对拉梅模特性的恶劣影响较小。

所述的“振动模式选择性阻尼加权方案”的第二个特征如下：

为了进一步抑制各种寄生模式信号的强度，提升异形拉梅模石英热敏谐振器2的Q值，改善谐振式石英温度传感器的长期稳定性，本发明对于拟置于主工作区12的合金薄膜电极——第一枚多层特种合金薄膜电极16、第二枚多层特种合金薄膜电极15以及位于支撑区13的上、下表面的第一枚多层特种合金薄膜连接电极18和第二枚多层特种合金薄膜连接电极17，采用了质量负载加权方法，制备了一种适宜石英晶体用的“拉梅模质量加权负载合金薄膜电极”。

理论计算表明，当拉梅模在热敏石英谐振器宽度方向的传播速度大于位于该热敏石英谐振器晶片表面金属电极中切变波的传播速度时，则拉梅模的能阱作用比较强。因此，必须在该热敏石英谐振器晶片表面上制备一种复合材料的金属电极，使其切变波传播速度小于拉梅模在该石英晶片内的传播速度。此外，它还要求它与石英晶片表面亲和性佳，附着力高。本发明提出的镍(Ni)\铜(Cu)\镍(Ni)\金(Au)\钼(Mo)合金复合薄膜可以满足所述要求。

第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15至少是由下述5层金属膜构成的——镍(Ni)\铜(Cu)\镍(Ni)\金(Au)\钼(Mo)合金复合薄膜，并且其厚度是从左至右是逐渐加厚。所述的多层特种合金薄膜是利用溅射法或利用CVD法(化学气相淀积法)制备，然后在真空度为10-5、温度为300℃条件下进行热处理24h,以便改善多层特种合金薄膜分子的结构、取向，消除热应力，提升多层特种合金薄膜与石英晶片的附着强度和复合强度。镍(Ni)\铜(Cu)\镍(Ni)\金(Au)\钼(Mo)合金薄各层的厚度依次为:镍(Ni)膜厚度是20～25nm，铜(Cu)膜厚度是80～90nm，镍(Ni)膜厚度是30～35nm，金(Au)膜厚度是200～300nm,钼(Mo)膜厚度是20～30nm。上述的数据中大的数值是薄膜从右边算起的起始厚度值，小的数值是薄膜从右边算起的终止处厚度值。

该方案通过改善相对于异形拉梅模石英热敏谐振器2金属电极与石英晶体声阻抗的匹配度以及强化激励电极厚度的权重，显著地提升了拉梅模信号的激励效率，改善了对各种寄生模式信号的抑制度，实现了对振动模式选择性阻尼加权功能。

所述的“振动模式选择性阻尼加权方案”的第三个特征是：

参见图5和图6，利用湿法化学刻蚀法、等离子体或激光的干法刻蚀技术，在支撑区13上表面、下表面区域以及支撑区13的晶片物理边缘区域，例如，在支撑区13之直角梯形的下底边、直角梯形的上边缘之斜线边、直角梯形25的右面底边以及支撑区13的直角梯形之上表面、下表面区域，分别加工凹槽19、盲孔20、通孔21以及由数种规格盲孔、通孔、凹槽构成的孔洞阵列10；所述的凹槽19、盲孔20、通孔21的形状至少是圆形、椭圆形、方形、长方形、多边形中的一种或其中的几种；凹槽19、盲孔20、通孔21以及由数种规格盲孔19、盲孔20、通孔21构成的孔洞阵列10的排列方向与直角梯形的上边缘之斜线边平行、垂直或成0～180°的某一个角度；支撑区13的直角梯形之上表面、下表面区域制备离子注入掺杂条带，所述的离子注入掺杂条带与石英晶体片11的锥状石英条形片的下底边垂直，或与它平行，或构成0～180°之间的任意一个角度。

制备凹槽19、盲孔20、通孔21、离子掺杂条带14的目的是利用凹槽19、盲孔20、通孔21、离子注入掺杂条带14的物理参数(宽度、长度、深度等尺寸、数量以及分布密度)选择地控制拉梅模信号和弯曲振动模式、厚度切变模式等的振幅、相位、频率，从而大幅度地抑制和阻尼高阶弯曲振动模式、厚度切变模式等寄生模式信号，因此能够减少支撑区13质量大小，提高异形拉梅模石英热敏谐振器2的响应速度。

为了提高凹槽19、盲孔20、通孔21或离子掺杂条带14控制参数的自由度，从支撑区13之直角梯形的右底边至主工作区12的方向，所述的槽、孔、条带的分布密度逐渐变小，而相邻两槽、孔、条带的之间的残留部分从支撑区13的物理边缘至主工作区12的方向却逐渐变大。

所述的“振动模式选择性阻尼加权方案”的第四个特征如下所述：

参见图6，利用光学冷加工法、湿法化学刻蚀法、等离子体或激光等的干法刻蚀技术把主工作区12的前端之直径为B1的半圆形结构区的晶片周边边缘以及主工作区12的后端之矩形结构区晶片周边的上边缘、下边缘(即宽度等于B1、长度等于A1区域的上边缘、下边缘)分别加工成波浪形、或方波形、锯齿状，而它的第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15周边边缘仍旧保持平滑状态，没有周期起伏或随机不平、不圆滑现象；所述晶片周边边缘锯齿状、波浪形或方波形的波动幅度和重复周期应接近于拉梅模波长或其波长正整数分之一的n倍，n是正整数，而远离高阶弯曲振动模、厚度切变模等寄生振动模式的波动波长。

这是由于半圆形结构区的晶片周边边缘加工成锯齿状或波浪形将破坏拉梅模的晶片边缘反射信号与主信号的相干叠加所产生的相位畸变，改善温度传感器频温特性的线性和稳定性。此外，其周边具有锯齿状或波浪形边缘的半圆形的晶片能够引起厚度切变模式、高阶弯曲振动模式等寄生模式信号能量的折射、漫反射和散射，不仅提升了石英晶体片11之主工作区12区域内拉梅模的能阱效应，而且防止它们与拉梅模发生相干叠加。

此外，本方案在半圆形结构区的晶片周边边缘表面以及主工作区12的后端之矩形结构区晶片周边的上边缘、下边缘表面分别溅射，形成镍(Ni)\铜(Cu)\镍(Ni)\金(Au)\钼(Mo)合金薄模9，并且在电学上它们彼此是相连的。

换言之，异形拉梅模石英热敏谐振器的主工作区12之晶片外周边侧面边缘被金属薄膜覆盖处于同电位状态。该技术措施能够改变了电荷在晶片外周边侧面上的分布状态，降低或消除在晶片外周边侧面边缘形成高阶、低阶弯曲振动模的电场强度，抑制了各种弯曲振动模的干扰，而对于拉梅模的激励影响却可以忽略。此外，晶片周边的凸凹波动边缘将引起入射的寄生波——弯曲振动模、厚度切变模能量的乱反射和杂乱的折射等，增大了寄生振动模式的能量散射和衰减损耗，而对于拉梅模的影响却不大，因此抑制了寄生模式信号的干扰，提高了信噪比，改善了稳定性。

总之，本发明的“振动模式选择性阻尼加权方案”能够迫使绝大部分拉梅模的能量被封闭在石英晶体片11之主工作区12区域内。由于“能阱”作用以及支撑区13的“振动模式选择性阻尼加权”引起的寄生振动抑制和衰减，将导致传送到第一管脚6、第二管脚7以及一体化封装部件1以外的寄生振动能量忽略不计，从而显著地提升了Q值，改善了传感器的稳定性和抗干扰能力。

本发明首次在异形拉梅模石英热敏谐振器2中使用双转角(yxlt)(23°～45°)/(70°～75°)石英晶体热敏切型。它的开发及其在异形拉梅模石英热敏谐振器中的应用是本发明的另一项技术特征。

石英晶体是一种属于三方晶系的单晶，具有各向异性。其弹性常数(包括弹性柔顺常数S₅₅)随着石英晶体的晶向和方位不同而改变，即作为几何与代数中的“张量”形式变化。其弹性常数——温度特性张量中的每一种分量是不同的。显然，采用不同石英晶体切型的石英谐振器的频率—温度特性差异很大，同时其频率—温度特性也随着在石英谐振器在晶体切型中的方位角而改变。目前国际上已知的拉梅模谐振器要求都是对使用环境稳定的，换言之，即对很多环境物理、化学参数，例如温度、压力、湿度、加速度、气体、PH值不敏感，更不能对上述物理、化学参数某种具有选择性的敏感特性。一言蔽之，目前世界上还没用适宜高性能拉梅模传感器使用的石英切型。

实验表明，本发明研制成功的双转角(yxlt)(23°～45°)/(70°～75°)石英晶体切型，颇适宜异形拉梅模石英热敏谐振器使用，其一阶温度系数较高，约为(22～50)*10^-6℃，而其二阶温度系数与三阶温度系数几乎等于零，换言之，其温度灵敏度高，并且频率-温度特性是线性的。频谱比较干净，寄生振动模式较少，其振动幅度也比较低。此外，对于石英晶体的X射线定向精度、切片工艺误差要求不苛刻，从而能够提升石英温度传感器的技术指标，大幅度地提高产品的成品率，改善佳产品的一致性，降低生产成本。

为了便于同行或其他专业人士理解，按照IRE标准规定的切型符号书写形式把本发明的双转角热敏石英新切型(yxlt)(23°～45°)/(70°～75°)叙述如下：

国际无线电工程学会IRE(Institute of Radio Engineers标准规定的切型符号包括一组字母(x、y、z、t、l、b)和角度。用x、y、z中任意两个字母的先后排列顺序，表示石英晶片厚度和长度的原始方向；用字母t(厚度)、l(长度)、b(宽度)表示旋转轴的位置。

当角度为正时,表示逆时针旋转；当角度为负时,表示顺时针旋转。

双转角(yxlt)(23°～45°)/(70°～75°)切型的热敏石英晶片的切割方位示意图可以参见图4。它的第一个字母y代表石英晶片原始位置的厚度方向，第二个字母x代表石英晶片原始位置的长度方向，第三个字母l和第四个字母t以及角度(23°～45°)/(70°～75°)表示石英晶片首先绕长度l，再绕厚度t，沿着逆时针方向分别旋转(23°～45°)和(70°～75°)。

本发明的采用异形拉梅模热敏谐振器的单端式高稳定谐振式石英温度传感器结构、双转角(yxlt)(23°～45°)/(70°～75°)的石英热敏切型、“手术刀片”状的石英晶片、主工作区的前端半圆形结构、后端的矩形之结构、支撑区13的直角梯形结构、“振动模式选择性阻尼加权方案”的相互配合可以担负下述功能：

如果在第一管脚6与第二管脚7施加交变电压时，那么采用异形拉梅模石英热敏谐振器的单端式高稳定谐振式石英温度传感器能够输出与被测温度一一对应的频率信号。其输出频率——温度特性接近于线性，一阶温度系数可达(22～50)*10^-6℃左右。其参考输出频率f主要取决于选取切型的石英晶体密度、弹性柔顺常数S₅₅，并且主要取决于异形拉梅模石英热敏谐振器的石英晶体片的宽度尺寸，而与所述的石英晶体片厚度无关。

作为进一步的方案：本发明并没有采取谐振式温度传感器的一体化封装部件1为真空的常规方案，而在一体化封装部件1内部充填了具有高导热特性的气体——氦气或氮气，以便提高响应速度，减少一体化封装部件1内、外的压力差，降低其漏气率，降低氧化、老化，延长温度传感器的使用寿命。其导热气体含量用压力表示为1.0Pa～1.3kPa。

与常规的谐振式温度传感器不同，常规的谐振式温度传感器的管帽、管座、第一管脚、第二管脚皆由科伐合金(Kovar)构成,本发明的管帽、管座使用的是表面溅射有钨铜层的科伐合金材料；而第一管脚、第二管脚是由镀镍的科伐合金材料构成。科伐合金经过镀镍处理后以及溅射有钨铜层处理后，它们的抗腐蚀能力以及耐核辐射能力都有较大的提高。这是因为科伐合金是以铁为主要成分的一种耐腐蚀合金，它与玻璃粉绝缘子的结合力强，热膨胀系数也比较匹配，所以能够在宽温度范围内获得良好的气密性。然而科伐合金毕竟是以铁为主要成分，其耐腐蚀能力还不能完全满足航空、航天和核工业系统的要求。采用镀镍处理或溅射一层钨铜材料处理后，无论它的承受高温能力、抗腐蚀特性以及耐核辐射能力都有较大的提高。本发明的管帽、管座、第一管脚、第二管脚并不是简单地、直接地使用科伐合金(Kovar)材料,而是对它实行了某些改造处理：在科伐合金材料构成的管帽、管座表面溅射了一层钨铜合金膜；在科伐合金材料构成的第一管脚、第二管脚表面电镀了一层镍金属材料。实验表明，科伐合金镀镍处理后或溅射了钨铜层后，它们的抗腐蚀能力以及耐核辐射能力都有明显的提高，其抗腐蚀能力以及耐核辐射能力可提高15﹪左右。

本发明的有益效果如下：在国际上首次开发了采用异形拉梅模石英热敏谐振器的单端式高稳定谐振式石英温度传感器；它的热敏切型是双转角(yxlt)(23°～45°)/(70°～75°)石英晶体。采用异形拉梅模石英热敏谐振器的单端式高稳定谐振式石英温度传感器能够在很宽温度范围内获得接近线性温度特性，不仅温度分辨率高，一阶温度系数可达(22～50)*10-6℃,准确度好(测温误差可小于0.05℃)，长期稳定性佳(0.005℃/年)，而且寄生振动模式少，对工艺误差要求不苛刻，故可以提高成品率，提升产品的一致性，降低生产成本。

本发明采用双转角(yxlt)(23°～45°)/(70°～75°)的热敏切型、异形拉梅模石英热敏谐振器、“振动模式选择性阻尼加权方案”。异形拉梅模石英热敏谐振器外形大体为“手术刀片”形状的石英晶体片11、最前端边缘为半圆形、后端是的宽度为B1、长度为A1的矩形之主工作区12、采用“振动模式选择性阻尼加权方案”的支撑区13和主工作区12，它们不仅能够大幅度地提升“能阱”作用，使得传送到第一管脚6、第二管脚7以及一体化封装部件1以外的非常规拉梅模振动能量忽略不计，从而提升了非常规拉梅模热敏石英谐振器Q值，而且缩小了传感器体积，提高了响应速度，改善了稳定性。本发明没有使用石英传感器的常规Cr/Au或Cr/Ag电极层，而是采用多层特种合金薄膜。本发明的多层特种合金薄膜与常规的石英传感器采用的合金薄膜完全不同，本发明的多层特种合金薄膜不仅与石英表面的附着力提高2倍以上，特别是镍(Ni)\铜(Cu)\镍(Ni)\金(Au)\钼(Mo)的组合，不仅减少了直流电阻，降低了生产成本，改善了电极附着力，提高了可焊性，而且抗磁场、耐核辐照能力和抗老化能力也大幅度地提高。更吸引人的是，最外层的钼(Mo)薄膜能够无气孔地、牢固地、紧密地与金或铜膜附着、结合，因此显著地减轻了传感器在高温(300℃以上)工作时，铜膜、金膜的蒸发，从而显著提高了谐振式石英温度传感器高温的稳定性和长期稳定性。此外，该结构能够使薄膜电极的耐焊接能力提高一倍以上，更可喜的是提高了抗磁场、耐核辐照能力和抗老化能力，通常其抗老化特性至少改善一倍左右。

镍(Ni)\铜(Cu)\镍(Ni)\金(Au)\钼(Mo)的复合膜，它们与双转角(yxlt)(23°～45°)/(70°～75°)切型的石英晶片之声阻抗比较匹配，热膨胀系数也比较接近，该结构不仅提高了耐高温、抗氧化能力，并且不吸附气体和湿气，能够提高传感器的准确度、稳定性，更可喜的是改善了抗磁场、耐核辐照能力和抗老化能力。

与常规的谐振式温度传感器不同，常规的谐振式温度传感器的管帽、管座、第一管脚、第二管脚皆由科伐合金(Kovar)构成,本发明的管帽、管座使用的是表面溅射有钨铜层的科伐合金材料；而第一管脚、第二管脚是由镀镍的科伐合金材料构成。科伐合金经过镀镍处理后以及溅射有钨铜层处理后，它们的抗腐蚀能力以及耐核辐射能力都有较大的提高。这是因为科伐合金是以铁为主要成分的一种耐腐蚀合金，它与玻璃粉绝缘子的结合力强，热膨胀系数也比较匹配，所以能够在宽温度范围内获得良好的气密性。然而科伐合金毕竟是以铁为主要成分，其耐腐蚀能力还不能完全满足航空、航天和核工业系统的要求。采用镀镍处理或溅射一层钨铜材料处理后，无论它的承受高温能力、抗腐蚀特性以及耐核辐射能力都有较大的提高。本发明的管帽、管座、第一管脚、第二管脚并不是简单地、直接地使用科伐合金(Kovar)材料,而是对它实行了某些改造处理：在科伐合金材料构成的管帽、管座表面溅射了一层钨铜合金膜；在科伐合金材料构成的第一管脚、第二管脚表面电镀了一层镍金属材料。实验表明，科伐合金镀镍处理后或溅射了钨铜层后，它们的抗腐蚀能力以及耐核辐射能力都有明显的提高，其抗腐蚀能力以及耐核辐射能力可提高15﹪左右。

与常规的谐振式温度传感器不同，本发明的一体化封装部件1内部并没有像普通谐振式石英温度传感器那样，一体化封装部件1采用真空封装方案，而在一体化封装部件1内部充满了氦气或氮气导热气体，不仅提高了响应速度，而且减少了一体化封装部件1内、外的压力差，降低其漏气率，延长温度传感器的使用寿命。在航空、航天和核工业某些部门的系统中试用表明，该传感器分辨率高、线性度好，工作温区范围宽，准确度高，长期稳定性优，抗核辐照能力强，耐磁场工作能力佳，对压力不敏感。最突出的优点是主要技术指标优于常规温度传感器，耐恶劣环境工作能力强，工作特性稳定、可靠，传感器可3年免标定。

简言之，它解决了目前传感器低工作频率与高分辨率、耐恶劣环境工作能力与高准确度、优异长期稳定不可同时兼得的技术难点。

附图说明

图1为本发明沿着石英热敏谐振器晶片主表面纵剖面结构示意图；

图2为本发明与石英热敏谐振器晶片主表面正交的纵剖面结构示意图；

图3为本发明异形拉梅模石英热敏谐振器结构示意图；

图4为本发明双转角(yxlt)(23°～45°)/(70°～75°)的热敏切型石英晶片之方位示意图；

图5为本发明异形拉梅模石英热敏谐振器的多层特种合金薄膜电极的偏置以及支撑区的结构示意图；

图6为本发明形拉梅模石英热敏谐振器的主工作区与支撑区的结构示意图。

图中：1、一体化封装部件；2、异形拉梅模石英热敏谐振器；3、科伐合金管帽；4、科伐合金管座；5、第一玻璃粉绝缘子；6、第一管脚；7、第二管脚；8、第二玻璃粉绝缘子；9、合金薄模；10、孔洞阵列；11、石英晶体片；12、主工作区；13、支撑区；14、离子注入掺杂条带；15、第二枚多层特种合金薄膜电极；16、第一枚多层特种合金薄膜电极；17、第二枚多层特种合金薄膜连接电极；18、第一枚多层特种合金薄膜连接电极；19、凹槽；20、盲孔；21、通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参阅图1和2所示，采用异形拉梅模谐振器的高稳定谐振式石英温度传感器10由一体化封装部件1和异形拉梅模石英热敏谐振器2构成，其封装结构外形尺寸小于或等于￠2*6mm；

异形拉梅模石英热敏谐振器2位于一体化封装部件1的内部，一体化封装部件1由内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管帽3和内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管座4构成；的内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管座4包括第一玻璃粉绝缘子5、第二玻璃粉绝缘子5、、第一管脚6、第二管脚7；

第一管脚6、第二管脚7皆由镀镍的科伐合金构成，它们依次安装在玻璃粉绝缘子5之中，可利用激光焊接法、钎焊工艺把内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管帽3与内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管座4气密封接在一起，构成了一体化封装部件1。

第一管脚6与异形拉梅模石英热敏谐振器2的第一枚多层特种合金薄膜连接电极18相连，而第一枚多层特种合金薄膜连接电极18又与第一枚多层特种合金薄膜电极16相连；第二管脚7与异形拉梅模石英热敏谐振器2的第二枚多层特种合金薄膜连接电极17相连，而第二枚多层特种合金薄膜连接电极17又与第二枚多层特种合金薄膜电极15相连，9是焊接点处融化过的焊料；

参见图3，异形拉梅模石英热敏谐振器2的石英晶体片11是一种微型的锥状石英条形片，其外形大体为“手术刀片”状，厚度为t；它包括主工作区12和支撑区13；异形拉梅模石英热敏谐振器2采用拉梅振动模式、基频工作，它的心脏部分是石英晶体片11及其对应的关联电极。

主工作区12位于石英晶体片11的前端；支撑区13位于石英晶体片11的后端，主工作区12与支撑区13两者紧密相连，是一体化的单片结构。

其主工作区12的前端24是直径为B1的半圆形结构区、后端是宽度等于B1、长度等于A1的矩形23之结构区，在矩形23之结构区的上、下表面分别设置了金属激励电极——第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15，该矩形结构区上表面的法线坐标方向是石英晶体的Y′轴(机械轴)方向；

支撑区13的外形呈直角梯形，直角梯形的一条直角边与主工作区12矩形的下边缘共一条直线；该直角梯形的上边缘为斜线边，并且斜线边与其主工作区12的矩形上边缘吻接。主工作区12的矩形下边缘和该直角梯形下边缘的坐标方向是石英晶体的X′轴(电轴)方向，而支撑区13之直角梯形的右底边(即支撑区13宽度尺寸最小之处)的坐标方向是石英晶体的Z′轴(光轴)方向。

设支撑区13之直角梯形的左面底边的长度为w1，直角梯形的右底边的长度为w2，直角梯形的下边缘的长度为L1；换言之，支撑区13与主工作区12连接处的最大宽度为w1，支撑区13的最小宽度为w2,

直角梯形25的高度为L1,则

B1＝w1，0.1≤(w2/B1)≤0.9，并且w1≥2t，(L1+A1+0.5B1)≥4B1。其关联电极——第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15分别设置在主工作区12的上、下表面。第一枚多层特种合金薄膜连接电极18和第二枚多层特种合金薄膜连接电极17分别设置在支撑区13的上、下表面，第一枚多层特种合金薄膜连接电极18与第一枚多层特种合金薄膜电极16相连，第二枚多层特种合金薄膜连接电极17与第二枚多层特种合金薄膜电极15相连。

第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15的外形都是前端是B2直径的半圆形、后端是宽度等B2、长度等于A2的矩形；它们分别位于前端是B1直径的半圆形、后端是宽度等于B1、长度等于A1的矩形结构区内，并且第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15的几何中心与主工作区12的几何中心重合，并且两者的图形取向方向一致。

设第一枚多层特种合金薄膜电极16前端是B2直径的半圆形、其后端是B2(宽)*A2(长)矩形电极，它们电极之最大长度为d1,而石英晶体片11的前端是B1直径的半圆形、后端是B1(宽)*A1(长)矩形的石英晶片之最大长度为D1,则

d1＝(0.50～0.80)D1，B2＝(0.30～0.95)B1，

异形拉梅模石英热敏谐振器2使用的是双转角切型(yxlt)38°/75°的石英晶体。采用非常规拉梅模的单端式高稳定谐振式石英温度传感器10内部被抽真空，其真空度为10^-4。

实施例二

实施例二与实施例一的不同处有二：

1、并不是象实施例一那样“第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15的几何中心与主工作区12的几何中心重合，并且两者的图形取向方向一致”，而是采用了“振动模式选择性阻尼加权方案”的第一种结构：的第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15的设置位置故意偏离了“主工作区12的中心位置”，即第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15上边缘与主工作区12的晶片的上边缘之距离小于第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15下边缘与主工作区12下边缘之距离。

2、没有采取常规谐振式温度传感器的一体化封装部件1内部为真空的方案，而是在其内部充填氮气导热气体的方法。其导热气体含量用压力表示为1.0Pa～1.3kPa。

3、异形拉梅模石英热敏谐振器2使用的是双转角切型(yxlt)23°/70°的石英晶体。

实施例三

实施例三与实施例一的不同处如下：

1、它的一体化封装部件1内部充填了导热特性最佳的氦气，其导热气体含量用压力表示为1.0Pa～1.3kPa。

2、还采用了“振动模式选择性阻尼加权方案”的第二种特征的结构：

对置于主工作区12的合金薄膜电极——第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15进行质量负载加权，制备了一种石英晶体的“质量加权负载合金薄膜电极”。

第一枚多层特种合金薄膜电极16和第二枚多层特种合金薄膜电极15至少是由下述5层金属膜构成的——镍(Ni)\铜(Cu)\镍(Ni)\金(Au)\钼(Mo)合金复合薄膜，并且其厚度是由从左至右是逐渐加厚。它的多层特种合金薄膜是利用溅射法制备的，或利用CVD法(化学气相淀积法)制备，然后在真空度为10-5、温度为300℃条件下进行热处理24h,以便改善多层特种合金薄膜分子的结构、取向，消除热应力，提升多层特种合金薄膜与石英晶片的附着强度和复合强度。镍(Ni)\铜(Cu)\镍(Ni)\金(Au)\钼(Mo)合金薄各层的厚度依次为:

镍(Ni)膜厚度是20～25nm，铜(Cu)膜厚度是80～90nm，镍(Ni)膜厚度是30～35nm，金(Au)膜厚度是200～300nm,钼(Mo)膜厚度是20～30nm。上述的数据中大的数值是薄膜从右边算起的起始厚度值，小的数值是薄膜从右边算起的终止处厚度值。

3、异形拉梅模石英热敏谐振器2使用的是双转角切型(yxlt)45°/75°的石英晶体。

实施例四

实施例四与实施例一的不同处如下：

1、它的一体化封装部件1内部充填了氦气导热气体，其导热气体含量用压力表示为1.0Pa～1.3kPa。

2、利用湿法化学刻蚀法、等离子体或激光的干法刻蚀技术，在支撑区13上表面、下表面区域以及支撑区13的晶片物理边缘区域，例如，在支撑区13之直角梯形的下底边、直角梯形的上边缘之斜线边、直角梯形的右面底边以及支撑区13的直角梯形之上表面、下表面区域，分别加工凹槽19、盲孔20、通孔21以及由它们构成的孔洞阵列10；的凹槽19、盲孔20、通孔21的外形可以是圆形、椭圆形、方形、长方形、多边形；凹槽19、盲孔20、通孔21以及由它们构成的孔洞阵列排列方向可与直角梯形的上边缘之斜线边平行、垂直以及成0～180°的某一个角度；支撑区13的直角梯形之上表面、下表面区域制备离子注入掺杂条带14，的离子注入掺杂条带14可以与石英晶体片11的锥状石英条形片的下底边垂直，也可以与它平行或构成120°。

从支撑区13的物理边缘至主工作区12的方向，的槽、孔、条带的分布密度逐渐变小，而相邻两槽、孔、条带的之间的残留部分从支撑区13的物理边缘至主工作区12的方向，的槽、孔、孔洞阵列、条带的分布密度逐渐变小，而相邻两槽、孔、条带的之间的残留部分从支撑区13的物理边缘朝着主工作区12方向却逐渐变大,参见图4。

3、异形拉梅模石英热敏谐振器2使用的是双转角切型(yxlt)45°/65°的石英晶体。

实施例五

实施例五与实施例一的不同处如下：

1、它的一体化封装部件1内部充填了氦气导热气体，其导热气体含量用压力表示为1.0Pa～1.3kPa。

2、参见图6，利用光学冷加工法、湿法化学刻蚀法、等离子体或激光等的干法刻蚀技术把主工作区12的前端24之直径为B1的半圆形结构区的晶片周边边缘以及主工作区12的后端之矩形23结构区晶片周边的上边缘34、下边缘35(即宽度等于B1、长度等于A1区域的上边缘34、下边缘35)分别加工成波浪形39、或方波形40、锯齿状，而它的金属激励电极周边边缘仍旧保持平直、平滑状态，没有周期起伏或随机不平、不圆滑现象；晶片周边边缘锯齿状、波浪形或方波形的波动幅度和重复周期应接近于拉梅模波长或其波长正整数分之一的n倍，n是正整数，而远离高阶弯曲振动模、厚度切变模等寄生振动模式的波动波长和幅度。

3、在半圆形结构区的晶片周边边缘43表面以及主工作区12的后端之矩形23结构区晶片周边的上边缘34、下边缘35表面分别溅射镍(Ni)\铜(Cu)\镍(Ni)\金(Au)\钼(Mo)合金薄模44并且在电学上它们彼此是相连的。

4、异形拉梅模石英热敏谐振器2使用的是双转角切型(yxlt)43°/72°的石英晶体。

实施例六

实施例六与实施例一的不同处如下：

1、它的一体化封装部件1内部充填了氦气导热气体，其导热气体含量用压力表示为1.0Pa～1.3kPa。

2、除了没有使用本发明“振动模式选择性阻尼加权方案”的第一种特征结构以外，采用了本发明“振动模式选择性阻尼加权方案”的其余全部特征结构的措施。

3、异形拉梅模石英热敏谐振器2使用的是双转角切型(yxlt)45°/70°的石英晶体。

测试和计量标定表明，所述的六种实施例的样品特性都具有温度分辨率高、线性度好，工作温区范围宽，准确度高，长期稳定性优，抗核辐照能力强，耐磁场工作能力佳，对环境的压力干扰不太敏感，此外，对工艺误差要求不苛刻，生产成本低，一致性好，从而实现了本发明目的。其中，实施例六的样品技术指标最佳。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器，包括一体化封装部件(1)和异形拉梅模石英热敏谐振器(2)，其特征在于：

所述异形拉梅模石英热敏谐振器(2)位于一体化封装部件(1)的内部，一体化封装部件(1)由内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管帽(3)和内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管座(4)构成；

所述科伐合金管座(4)包括第一玻璃粉绝缘子(5)、第二玻璃粉绝缘子(8)、第一管脚(6)、第二管脚(7)；

所述第一管脚(6)、第二管脚(7)皆由镀镍的科伐合金构成，它们依次安装在第一玻璃粉绝缘子(5)、第二玻璃粉绝缘子(8)之中，利用激光焊接法或钎焊工艺把内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管帽(3)与内外表面溅射有钨铜层的科伐合金管座(4)气密地焊接在一起，构成了一体化封装部件(1)；

所述第一管脚(6)与异形拉梅模石英热敏谐振器(2)的第一枚多层特种合金薄膜连接电极(18)相连，而第一枚多层特种合金薄膜连接电极(18)又与第一枚多层特种合金薄膜电极(16)相连；所述第二管脚(7)与异形拉梅模石英热敏谐振器(2)的第二枚多层特种合金薄膜连接电极(17)相连，而第二枚多层特种合金薄膜连接电极(17)又与第二枚多层特种合金薄膜电极(15)相连；

所述异形拉梅模石英热敏谐振器(2)采用拉梅振动模式、基频工作，它的心脏部分是石英晶体片(11)及其对应的关联电极；所述异形拉梅模石英热敏谐振器(2)的石英晶体片(11)是一种微型的锥状石英条形片，其外形大体为“手术刀片”状，厚度为t；它包括主工作区(12)和支撑区(13)；主工作区(12)位于石英晶体片(11)的前端，支撑区(13)位于石英晶体片(11)的后端，主工作区(12)与支撑区(13)两者紧密相连，是一体化的单片结构；

所述主工作区(12)的前端是直径为B1的半圆形结构区，后端是宽度等于B1、长度等于A1的矩形结构区，在矩形结构区的上、下表面分别设置了金属激励电极——第一枚多层特种合金薄膜电极(16)和第二枚多层特种合金薄膜电极(15)，在矩形结构区上表面的法线坐标方向是石英晶体的Y′轴方向；

异形拉梅模石英热敏谐振器的谐振频率f主要是由B1决定的，晶片厚度对谐振频率f的影响甚微，即

应注意选择A1与B1值的最佳配合比：

A1/B1越大，则热敏石英谐振器的Q值越高；当A1/B1＝5.6～5.9时，其Q值处于高峰值区，可是当A1/B1>6时，其Q值趋于饱和，即A1/B1＝5.6～5.9最佳；

所述支撑区(13)的外形呈直角梯形形状，直角梯形的一条直角边与主工作区(12)矩形的下边缘共一条直线，成为石英晶体片(11)的锥状石英条形片的下底边；直角梯形的上边缘为斜线边，并且斜线边与其主工作区(12)的矩形上边缘吻接；所述石英晶体片(11)的锥状石英条形片的下底边的坐标方向是石英晶体的X′轴(电轴)方向，而支撑区(13)之直角梯形的右底边的坐标方向是石英晶体的Z′轴方向；

设支撑区(13)之直角梯形的左面底边的长度为w1，直角梯形的右底边的长度为w2，直角梯形的下边缘的长度为L1；换言之，若支撑区(13)与主工作区(12)连接处的最大宽度为w1，支撑区(13)的最小宽度为w2,直角梯形的高度为L1,则

B1＝w1，0.1≤(w2/B1)≤0.9，并且w1≥2t，(L1+A1+0.5B1)≥4B1。其关联电极——第一枚多层特种合金薄膜电极(16)和第二枚多层特种合金薄膜电极(15)分别设置在主工作区(12)的上、下表面；第一枚多层特种合金薄膜连接电极(18)和第二枚多层特种合金薄膜连接电极(17)分别设置在支撑区(13)的上、下表面，第一枚多层特种合金薄膜连接电极(18)与第一枚多层特种合金薄膜电极(16)相连，第二枚多层特种合金薄膜连接电极(17)与第二枚多层特种合金薄膜电极(15)相连。

2.根据权利要求1所述的一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器，其特征在于：

所述异形拉梅模石英热敏谐振器(2)的第一枚多层特种合金薄膜电极(16)和第二枚多层特种合金薄膜电极(15)的形状是前端为B2直径的半圆形、后端是宽度等于B2、长度等于A2的矩形；它们分别设置在主工作区(12)内，即位于前端是B1直径的半圆形、后端是宽度等于B1、长度等于A1的矩形结构区内，并且第一枚多层特种合金薄膜电极(16)和第二枚多层特种合金薄膜电极(15)的几何中心与主工作区(12)的几何中心重合，并且两者的图形取向方向一致；

设第一枚多层特种合金薄膜电极(16)前端是B2直径的半圆形电极，其后端是B2(宽)*A2(长)矩形电极，即第一枚多层特种合金薄膜电极之最大长度为d1,而石英晶体片(11)的前端是B1直径的半圆形石英晶片，后端是B1(宽)*A1(长)矩形的石英晶片，即其石英晶片之最大长度为D1,则d1＝(0.50～0.80)D1，B2＝(0.30～0.95)B1。

3.根据权利要求1所述的一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器，其特征在于：所述的异形拉梅模石英热敏谐振器(2)使用双转角(yxlt)(23°～45°)/(70°～75°)石英晶体热敏切型。

4.根据权利要求1所述的一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器，其特征在于：

所述异形拉梅模石英热敏谐振器(2)采用了“振动模式选择性阻尼加权方案”之一，使第一枚多层特种合金薄膜电极(16)和第二枚多层特种合金薄膜电极(15)的上、下边缘相对于主工作区(12)晶片的上、下矩形边缘向右上方移动一距离，从而偏离了“以拉梅模的振动节点为中心点”位置；换言之，第一枚多层特种合金薄膜电极(16)和第二枚多层特种合金薄膜电极(15)的上边缘与主工作区(12)的晶片的上边缘之距离小于第一枚多层特种合金薄膜电极(16)和第二枚多层特种合金薄膜电极(15)下边缘与主工作区(12)下边缘之距离，并且其位置向右边偏置。

5.根据权利要求1所述的一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器，其特征在于：

所述异形拉梅模石英热敏谐振器(2)采用了“振动模式选择性阻尼加权方案”之二，第一枚多层特种合金薄膜电极(16)和第二枚多层特种合金薄膜电极(15)至少是由下述五层金属膜构成的——镍(Ni)\铜(Cu)\镍(Ni)\金(Au)\钼(Mo)合金复合薄膜，并且其厚度从左至右是逐渐加厚；所述的多层特种合金薄膜是利用溅射法或利用CVD法(化学气相淀积法)制备，然后在真空度为10^-5、温度为300℃条件下进行热处理24h；镍(Ni)\铜(Cu)\镍(Ni)\金(Au)\钼(Mo)合金薄各层的厚度依次为:镍(Ni)膜厚度是20～25nm，铜(Cu)膜厚度是80～90nm，镍(Ni)膜厚度是30～35nm，金(Au)膜厚度是200～300nm,钼(Mo)膜厚度是20～30nm；上述的数据中大的数值是薄膜从右边算起的起始厚度值，小的数值是薄膜从右边算起的终止处厚度值。

6.根据权利要求1所述的一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器，其特征在于：

所述异形拉梅模石英热敏谐振器(2)采用了“振动模式选择性阻尼加权方案”之三，利用湿法化学刻蚀法、等离子体或激光干法刻蚀技术，在支撑区(13)上表面、下表面区域以及支撑区(13)的晶片物理边缘区域，例如，在支撑区(13)之直角梯形的下底边、直角梯形的上边缘之斜线边、直角梯形的右面底边以及支撑区(13)的直角梯形之上表面、下表面区域，分别加工凹槽(19)、盲孔(20)、通孔(21)以及由数种规格盲孔、通孔、凹槽构成的孔洞阵列(10)；所述的凹槽(19)、盲孔(20)、通孔(21)的形状至少是圆形、椭圆形、方形、长方形、多边形中的一种或其中的几种；凹槽(19)、盲孔(20)、通孔(21)以及由数种规格盲孔、通孔、凹槽构成的孔洞阵列(10)之排列方向与直角梯形的上边缘之斜线边平行、垂直或形成0～180°的一个角度；

另外采用半导体离子注入工艺和掺杂技术在支撑区(13)的直角梯形之上表面、下表面区域制备离子注入掺杂条带(14)，所述的离子注入掺杂条带(14)与石英晶体片(11)的锥状石英条形片的下底边垂直，或与它平行，或构成0～180°之间的任意一个角度；

从支撑区(13)之直角梯形的右底边至主工作区(12)的方向，所述的槽、孔、孔洞阵列、离子注入掺杂条带的分布密度逐渐变小，而相邻两槽、孔、条带的之间的残留部分从支撑区(13)的物理边缘朝着主工作区(12)方向却逐渐变大。

7.根据权利要求1所述的一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器，其特征在于：

所述异形拉梅模石英热敏谐振器(2)采用了“振动模式选择性阻尼加权方案”之四，利用光学冷加工法、湿法化学刻蚀法、等离子体或激光干法刻蚀技术把主工作区(12)的前端之直径为B1的半圆形结构区的晶片周边边缘以及主工作区(12)的后端之矩形结构区晶片周边的上边缘、下边缘分别加工成波浪形或方波形、锯齿状，而它的第一枚多层特种合金薄膜电极(16)和第二枚多层特种合金薄膜电极(15)周边边缘仍旧保持平滑状态，没有周期起伏或随机不平、不圆滑现象；所述晶片周边边缘锯齿状、波浪形或方波形的波动幅度和重复周期应接近于拉梅模波长或其波长正整数分之一的n倍，n是正整数，而远离高阶弯曲振动模、厚度切变模等寄生振动模式的波动波长；

此外，在半圆形结构区的晶片周边边缘表面以及主工作区(12)的后端之矩形结构区晶片周边的上边缘、下边缘表面分别溅射，形成镍(Ni)\铜(Cu)\镍(Ni)\金(Au)\钼(Mo)合金薄模(9)，并且在电学上它们彼此是相连的。

8.根据权利要求1所述的一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器，其特征在于：

所述一体化封装部件(1)内部充填了具有高导热特性的气体——氦气或氮气；其导热气体含量用压力表示为1.0Pa～1.3kPa。

9.根据权利要求1或权利要求3所述的一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器，其特征在于：

双转角(yxlt)(23°～45°)/(70°～75°)切型的热敏石英晶片的含义如下：它的第一个字母y代表石英晶片原始位置的厚度方向，第二个字母x代表石英晶片原始位置的长度方向，第三个字母l和第四个字母t以及角度(23°～45°)/(70°～75°)表示石英晶片首先绕长度l，再绕厚度t，沿着逆时针方向分别旋转(23°～45°)和(70°～75°)。

10.根据权利要求1所述的一种采用异形拉梅模谐振器的谐振式石英温度传感器，其特征在于：

所述科伐合金管帽(3)、科伐合金管座(4)、第一管脚(6)和第二管脚(7)并不是简单地、直接地使用科伐合金(Kovar)材料,而是对它采取了改造处理：在科伐合金材料构成的科伐合金管帽(3)和科伐合金管座(4)表面溅射了一层钨铜合金膜；在科伐合金材料构成的第一管脚(6)和第二管脚(7)表面电镀了一层镍金属材料。

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