CN114421921A - 单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器 - Google Patents

单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及真空传感技术领域，且公开了一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，由五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片、石英真空敏感谐振器管座和石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽构成，所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片置于所述石英真空敏感谐振器管座和所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽所构成的真空敏感谐振器封装部件内，(yxtl)‑24°～‑50°/5°～15°切型石英晶体颇适宜面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器以及面弯曲模的单片型双组开端‑闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器使用，其温度稳定性远优于现在的单闭端石英音叉式和双闭端石英音叉谐振器。

Description

单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器
技术领域
本发明涉及真空传感技术领域，它涉及一种谐振式石英音叉真空敏感谐振器，特别涉及一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器。
背景技术
近年崭露头角的谐振式石英音叉真空传感器颇具有生命力。它的核心部件——石英音叉真空敏感谐振器主要有两种形式，第一种为单闭端厚度弯曲模二叉臂石英音叉真空敏感谐振器,如中国专利CN201710742649.5所使用的敏感元件，第二种为双闭端厚度弯曲模二叉臂石英音叉真空敏感谐振器，如中国专利CN103940548所使用的敏感元件。遗憾的是目前它存在以下不足：
1)灵敏度有待提高
石英音叉真空敏感谐振器的工作原理是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动态电阻Z变化的阻抗型真空传感器。无论单闭端石英音叉式,例如CN103940548还是双闭端石英音叉，例如CN103940548都是采用厚度弯曲振动模式，其音叉的叉臂厚度t比较小，尤其是双闭端石英音叉大都采用湿法刻蚀技术制作，其厚度通常为0.04～0.10mm，与真空中残存气体的摩擦和阻尼比较小。提高灵敏度，现在的方法有三：
第一个方法是增加石英音叉的叉臂长度L；这将导致频率降低，为了保持原频率，必须大幅度增加叉臂宽度B，将使石英音叉形体制作的相对误差比率劣化，工艺难度增大。尤其是受到当前双面曝光设备和石英各向腐蚀工艺技术的限制，提高其灵敏度比较困难。第二个方法是增大叉臂厚度t，可是受到石英湿法刻蚀工艺的纵横向腐蚀速率差异大的约束，石英音叉厚度t超过0.12mm时，其侧蚀现象和残岛缺陷严重，明显地影响其敏感特性。第三个方法增加叉臂宽度B，这将导致频率升高，体积增大。为了保持原频率，必须减少L。总之，受到目前工艺设备，特别是双面石英光刻机要求必须同时实现大面积曝光和高分辨率。此外，石英光刻工艺还涉及纯金膜的高分辨刻蚀问题。因此，提高灵敏度，困难重重。
2)量程下限需要拓宽，温度稳定性急需改善
石英音叉真空敏感谐振器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”。换言之，拓宽工作温度范围的同时还要改善温度稳定性。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℃，其压力误差为百分之几，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％。即温度误差已成为扩展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、膜厚控制及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。金属电极易被活性气体，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个星期左右的时间，Z0和R0就可能增加1.5～2倍。
4长期稳定性有待提高
粉尘、油污等进入了真空传感器，将降低了其准确度和长期稳定性。此外双闭端厚度弯曲模石英音叉谐振器的粘结剂引进的蠕变、热应力严重地降低了准确度和长期稳定性。
综上所述，现有的石英真空传感器、石英音叉真空敏感谐振器迫切需要提升它的灵敏度，改善其温度稳定性和时间稳定性，加宽它的工作温度范围以及提升其标定、维修和更换器件操作的便利性。
发明内容
针本发明的目的是克服现有石英音叉真空敏感谐振器的缺点，提出一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，拓宽现有石英音叉真空敏感谐振器的测量范围下限，提高其真空测量灵敏度，改善它的温度稳定性和时间稳定性。本发明的技术方案如下：
一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，由五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片、石英真空敏感谐振器管座和石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽构成，所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片置于所述石英真空敏感谐振器管座和所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽所构成的真空敏感谐振器封装部件内。
所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片的公共重叠基区的两侧设有两枚与五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片同样切型石英晶体的一体化突出支撑梁，其切型是(yxtl)-24°～-50°/5°～15°石英晶体，两个支撑梁分别置于所述第一条形纵向槽和第二条形纵向槽内，且支撑梁与条形纵向槽结合成一体结构，两个支撑梁通过金属汇流条与管脚电连接。
所述的石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽位于所述可伐合金-——玻璃管座底盘和科伐合金侧壁一体结构的上端，所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩与所述石英真空敏感谐振器管座过盈配合，所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩包围第一条形槽和第二条形槽，使所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片与周边环境隔离。
本发明在国际上首次使用了面弯曲振動模式作为石英音叉真空敏感谐振器的工作模式。它不仅最大限度地强化了与真空中的残存气体摩擦和质量加载效应，大幅度地提升了真空敏感灵敏度，而且把常规石英音叉真空敏感谐振器要求高精密加工叉臂的宽度尺寸的令人头痛的工艺问题转换为高精密加工厚度尺寸的一种易解决问题。目前各国的石英音叉厚度尺寸亚微米加工技术已经很成熟，从而绕过当前的工艺难点，柳暗花明又一村，解决了石英传感器行业存在的一大难题。
面弯曲振动模石英音叉谐振器与传统的厚度弯曲模石英音叉谐振器是一对孪生兄弟，后者是人们熟知的一种石英音叉工作模式，在传感器行业已经崭露头角多年，有的已经商品化，例如单闭端谐振式石英音叉温度传感器、双闭端石英音叉压力传感器等。遗憾的是利用面弯曲振动模石英音叉谐振器的传感器技术却至今无人问津。它的缺点如下：
(1)面弯曲振动模石英音叉真空敏感谐振器的形体及其激励电极结构复杂
目前的单闭端厚度弯曲模二叉臂石英音叉真空敏感谐振器的石英音叉之外形呈英文“U”字形，通常叉臂数量大都为偶数——二叉臂。其叉臂一端是固定的，而叉臂的另一端为自由端，即所谓的“单闭端结构”。它采用厚度弯曲模式振动，即各叉臂之自由端都在音叉的厚度面内进行弯曲振动。厚度弯曲振动模激励电极通常设置在第一枚叉臂的两个主表面上，并且第一枚叉臂的激励电极与相邻的第二枚叉臂的两侧面激励电极在电学上相连，以便使它们保持同一电位。设置在第一枚叉臂的两侧面激励电极应与相邻的第二枚叉臂的两主表面激励电极在电学上与相连，也是为了保证它们为同一电位。该电极结构能够确保相邻的两叉臂电极所激励的电场异相，从而两叉臂异相弯曲振动，向其基区耗散的振动能量很低，动态电阻较小。遗憾的是采用面弯曲振动模的石英音叉谐振器的形体结构和激励电极结构却要比所述的厚度弯曲振动模情况复杂得多：
根据电动力学和压电学可知，其电极若能够设置在叉臂的侧面，那么当一枚叉臂向单闭端厚度弯曲模二叉臂石英音叉真空敏感谐振器的内侧弯曲时，而另一枚叉臂也可以向单闭端厚度弯曲模二叉臂石英音叉真空敏感谐振器的内侧弯曲。而单闭端厚度弯曲模二叉臂石英音叉真空敏感谐振器恰好把它的一部分激励电极设置在叉臂的侧面，只要给单闭端厚度弯曲模二叉臂石英音叉真空敏感谐振器的激励电极施加交变电压就能够产生对称的弯曲振动，并且其动态电阻也比较小。因此，其激励电极的设计和制备比较容易。
然而，不能机械地照搬该激励电极结构。因为面弯曲振动模石英音叉的叉臂厚度远小于厚度弯曲模叉臂厚度，所以如果叉臂侧面设置电极，那么需要使叉臂的正面、背面、侧面各电极分开一定的距离，否则容易短路，工艺难度大。若增加叉臂厚度，则失去面弯曲振动模石英音叉的优势，较厚的叉臂将明显地降低面弯曲振动模石英音叉真空敏感谐振器之真空灵敏度。面弯曲振动模石英音叉感谐振器的叉臂数量通常为二叉臂或三枚叉臂，目前还没有采用利用五叉臂面弯曲振动模石英音叉感谐振器作为真空敏感谐振器的报道。
面弯曲振动模式产生的充分必要条件除了石英晶体切型能够允许面弯曲振动模式激励和传播以外，它的激励电极结构必须能够使各叉臂在其厚度方向的一半区域内发生拉伸变形的同时，而在其叉臂厚度方向的另一半区域内能够产生压缩变形。换言之，如果在厚度方向的上、下两主工作面分别施加极性相反的电压V，那么以其叉臂厚度中心线为对称轴的两个1/2区域内能够分别同时发生拉伸变形和压缩变形，从而形成面弯曲模式的振动。显然，面弯曲振动模石英音叉真空敏感谐振器的金属激励电极必须设置在每枚叉臂的上、下两主工作面内，并且应满足下述条件：
该金属激励电极应是两列独立结构，并且两列电极应该是并行的，即每枚叉臂至少具有四条电极，以便其叉臂在沿着晶体电轴(x方向)区域范围内能够产生大小相等、方向相反的激励电场±E'1。此外，在其叉臂侧面还要制备金属连接电极，从而能够有效地利用石英晶体的压电常数d”12和弹性柔顺常数s'22的作用，激励出面弯曲振动模式信号。其频率-温度特性曲线为抛物线状。它不仅取决于使用的石英晶体音叉切型，而且还与叉臂宽度/长度之比值相关。其设计方法和制备工艺复杂，成品率低。
(2)面弯曲振动模石英音叉真空敏感谐振器应采用新切型石英晶体
如果面弯曲模式振动石英音叉真空敏感谐振器采用惯用的石英晶体音叉切型——(zyt)0～5°或NT切型，那么采用(zyt)0～5°切型的面弯曲振动模英音叉真空敏感谐振器的温度系数将比较大，并且在较宽温区范围内几乎皆为负值。倘若想要获得零温度系数或从负值变成正值，那么困难重重。换言之，采用常规的(zyt)0～5°切型的单转角切型的面弯曲振动模石英音叉真空敏感谐振器不具有零温度系数特性，真空其频率-温度稳定性与阻抗-温度稳定性欠佳。若采用NT切型yxtl0°～8.5°/38°～75°)，其动态电阻较大，Q值较低。这为该切型的二次转角较大，为38°～75°，沿其电轴(x方向)的有效电场分量为cos(38°～75°)，即有宜于面弯曲模式振动激励电场的电轴(x方向)的有效电场分量较小。因而，要想开发成功面弯曲振动模石英音叉真空敏感谐振器，必须探索新的双转角石英晶体音叉切型或对现有双转角石英晶体音叉切型进行修正改性。
(3)热弹性效应导致面弯曲模石英音叉谐振器真空准确度下降的抑制
热弹效应是指弹性材料伸长或缩短形变时出现的放热或吸热现象，其熵变大小与形变量相关。根据固体物理知识可知，当石英晶体振梁受到压缩、拉伸力作用时，由于内摩擦作用，往往其振梁压缩变形区温度将升高，而振梁拉伸变形区温度将降低，从而导致振梁的内部出现了温度梯度，于是在振梁内部发生了“热量的传递”。此时，振梁的应变、应力与温度的函数关系可用下式表示：
ε＝σ/Et+a△t
式中，ε是应变，σ是应力，Et是恒温时的弹性常数，ɑ是线热膨胀系数，Δt是偏离平衡温度的温度差。Δt可以利用下述的过渡方程2在温度平衡附近区间求得：
d△t/dt＝-△t/τ
在式2中，τ是过渡时间。显然，当面弯曲振动模石英音叉谐振器的谐振频率变化时，则其过渡谐振频率f＝1/2πτ，其Q值将显著地降低。当其谐振频率恒定时，在某一温度下，它的Q值将出现极小值。换言之，石英音叉叉臂的压缩、拉伸力作用所产生的热传导现象(热弹性效应)将导致Q值降低。因为面弯曲振动模石英音叉谐振器，音叉叉臂的根部(叉臂与基区交界区)的弯曲应力最大。所以弯曲应力所产生的热能将使得叉臂根部的热弹性损耗很大。尤其石英音叉真空敏感谐振器通常为了获得较大的动态电阻变化，其石英音叉真空敏感谐振器体积都比较小，因此热弹性效应的负面影响更显著。
与厚度弯曲模式石英音叉谐振器不同，本发明的五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器是基波-面弯曲振动模式工作。它的叉臂弯曲振动方向不是沿着厚度方向，而是与厚度方向成90°角之方向。其主要优点是其谐振频率与其叉臂宽度尺寸无关，仅取决于其叉臂的长度和厚度尺寸。根据压电学理论可知，通常同一叉臂尺寸的面弯曲模石英音叉谐振器之工作频率比厚度弯曲模石英音叉谐振器工作频率高20～30％。如果要与厚度弯曲模石英音叉谐振器具有相同的工作频率，那么在同样的工艺条件下，其音叉的臂长至少能够是厚度弯曲模石英音叉谐振器的1.3～1.5倍，其厚度也可以达到1.5～2倍，它的叉宽甚至可以为常规尺寸的数倍以上。因此，采用面弯曲模工作能够大幅度地增大音叉臂与真空中的残存气体接触面积，提升音叉其粘性摩擦力和质量加载力，从而能够大幅度地改善了传感器的真空灵敏度，并且还能够绕过目前行业内难以克服的某些工艺难点，提高成品率。实验表明，五叉臂双开端音叉式石英谐振器能够大幅度地提升音叉与真空中残存气体的粘性摩擦力和质量加载力，改善了传感器的真空灵敏度。其Q值(品质因数)也比二叉臂单闭端音叉式石英谐振器高得多，其真空灵敏度能够提高3倍以上
上述方案进一步可选的，所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的公共重叠基区的左右两端分别设有两枚于其同样切型石英晶体的一体化突出支撑梁，即第一支撑梁和第二支撑梁，所述第一支撑梁和第二支撑梁分别置于所述第一条形纵向槽和第二条形纵向槽内，且支撑梁与条形纵向槽结合成一体结构。
所述第一支撑梁上设有两枚相互绝缘的但可焊接导线的第一金属汇流条和第二金属汇流条，所述第二支撑梁上设有两枚相互绝缘的但可焊接导线的第三金属汇流条和第四金属汇流条，第一金属汇流条与第一管脚电连接，第三金属汇流条与第三管脚电连接，第二金属汇流条、第四金属汇流条都与第二管脚电连接，并与公共地线相连。
上述方案进一步可选的，所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的激励电极采用石英晶体X′轴的交叉场激励电极。
上述方案进一步可选的，所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的公共重叠基区内采用了面弯曲振动模石英音叉谐振器的热弹性效应负面影响抑制结构。
所述第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的公共重叠基区内采用了面弯曲振动模石英音叉谐振器的热弹性效应负面影响抑制结构，所述第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片采用的电极是石英晶体X′轴(电轴)的同线场电极激励电极。
上述方案进一步可选的，所述面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片为单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片，所述单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的公共重叠基区内采用了面弯曲振动模石英音叉谐振器的热弹性效应负面影响抑制结构，所述单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的激励电极采用石英晶体X′轴的同线场激励电极。
与现有技术相比，本发明提供了单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，具备以下有益效果：
在国际上首次提出一种采用面弯曲模双耦合五叉臂的单片式石英音叉真空传感器，并公布了其中的一些关键技术，从而拓宽了RQFVS真空量程范围，提高了其真空测量灵敏度，改善了其温度稳定性和时间稳定性，并且给其标定、维修和更换器件等操作带来了便利。本发明在国际首次把宽度弯曲模作为石英音叉真空敏感谐振器工作模式。其意义深远，不仅最大限度地强化了与真空中的残存气体摩擦和质量加载，而且把常规石英音叉要求高精密加工叉臂的宽度尺寸的令人头痛的工艺问题转换为厚度尺寸的加工方面问题。从而绕过当前的难点，解决了石英传感器存在的一大难题。
为了最大限度地增大每枚音叉臂与真空中的残存气体接触的表面面积，从而能够提升音叉与真空中的残存气体粘性摩擦力和质量加载力，改善了传感器的真空灵敏度，本发明设计和制备了双五叉臂石英音叉谐振器。
实验表明，五叉臂双开端音叉式石英谐振器或五叉臂双组开端-闭端的耦合结构的音叉式石英谐振器之Q值和真空灵敏度能够提高3倍以上。每组五叉臂石英音叉谐振器的叉臂设计成双开端音叉结构或单开端—双闭端的模式耦合音叉结构。那么单片式面弯曲模耦合的双五叉臂石英音叉真空传感器的真空灵敏度至少要提高6倍以上，而后者——单开端—双闭端的模式耦合石英音叉真空传感器的真空灵敏度至少要提高6.5倍以上。
采用同一叉臂尺寸的面弯曲模石英音叉谐振器工作频率通常比厚度弯曲模石英音叉谐振器工作频率高20～30％。如果要维持与厚度弯曲模石英音叉谐振器相同的工作频率，那么与惯用的厚度弯曲模石英音叉谐振器相比，在同样的工艺条件下，其音叉的臂长可以加工得很长，至少能够达到为常规尺寸的2倍以上，其厚度也可以达到常规尺寸的1.5～2倍，其叉宽甚至可以为常规尺寸的数倍以上。因此，在相同的工作频率条件下，本发明能够最大限度地增大每枚音叉臂与真空中的残存气体接触的表面面积，从而能够提升音叉与真空中的残存气体粘性摩擦力和质量加载力，改善了传感器的真空灵敏度，并且还能够绕过某些工艺难点，提高成品率，解决了该行业存在的老大难问题。
面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器以及面弯曲模的单片型双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器把单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器设计成基波面弯曲振动模式工作，从而导致石英音叉真空敏感谐振器的10枚叉臂的弯曲方向都是沿着石英晶体的±Y′轴方向弯曲，恰好采用面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器之各个叉臂表面面积±Y′方向是最大的，此外10枚叉臂的最大表面又都位于±Y′方向。显然，各枚叉臂与被敏感的真空器具内的残存气体接触面积最大。当它们弯曲振动时受到的阻尼与和其质量加载的影响最强。
叉臂的激励电极面积(电极的长度、宽度)愈小，满足海明加权函数的方案，不仅而且还能够调整激励电场的相位、幅度，修正叉臂工艺加工误差所带来激励电场不均衡度、质量加载的不平衡度，而且还能够调整激励电场的分布，减少静态电容，此外还可以降低各个叉臂的在基区的弯曲应变和扭曲力矩，减少振动能量的漏泄，提升Q值，能够有效地提升真空度灵敏度，改善传感器的稳定度。
面弯曲模石英晶体音叉真空敏感谐振器使用的石英晶体X′轴(电轴)的交叉场激励电极和石英晶体X′轴(电轴)的同线场电极激励电极颇有特色。其着眼点是电极的激励电场与石英X′轴(电轴)同向，因此激励的面弯曲模式振动很强，而寄生模式电平低，Q值很高。
一体化的条型石英晶体水平梁方案是本发明的创新点之一，它能够显著地提升单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片对真空中残存气体粘性和质量加载产生的阻尼引起音叉动态电阻Z变化量，能够有效地提升真空度灵敏度，改善传感器的稳定度，扩展真空测量范围的下限，此外增加了调整单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的质量重心、弯曲振动模与扭曲振动模以及弯曲力矩、扭曲力矩迭加的节点措施的自由度，减少了对石英晶体湿法刻蚀工艺以及石英晶体干法刻蚀技术的苛刻要求，也为面弯曲振动模石英音叉真空敏感谐振器的频率调整提供了一种新方法，降低了生产成本。
利用射频磁控溅射法，在椭圆形盲槽的沟槽底面和侧壁制备多层金属-陶瓷复合膜——镍、银、堇青石陶瓷、钛、钯的复合膜的热弹性效应产生的负面影响抑制结构提升了对面弯曲模和扭曲模的能阱作用，从而提高了Q值，改善了真空分辨率和测量准确度。
(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体颇适宜面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器以及面弯曲模的单片型双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器使用，其温度稳定性远优于现在的单闭端石英音叉式和双闭端石英音叉谐振器。
它的石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩是一种高效低阻力气体多层过滤器，可满足航天飞船载人舱、制药、医疗、船舶、半导体工业、科研部门等的防霉、抗菌、抵制污染要求。其抗霉特性佳、不产生静电，透气能力好，压力损失小、机械强度高、隔热特性好，滤除粉尘能力强，过滤特性的长期稳定性优良，使用寿命长。
利用玻璃烧结工艺制备了第一低熔点玻璃粉料封接区和第二低熔点玻璃粉料封接区。本发明的低熔点玻璃料的封接温度为430±15℃，不能使周边部件氧化、污染，也不会给高真空带来污染，也不能使石英晶体出现双晶、相变，带来热应力很低。与现有技术不同，它不仅与(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体、可伐合金的热膨胀系数匹配，而且它的声阻抗也颇为匹配。更具有特色的是该低熔点玻璃料形成的封接区不仅与面弯曲振动、扭曲振动模式传播媒质的输入声阻抗匹配，而且在封接区内对于面弯曲振动、扭曲模式振动的传播具有高阻尼，不仅解决了面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器的支撑机构难题，而且还能够缩小基区面积，提升Q值，改善了敏感真空的灵敏度。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明采用第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器的结构示意图；
图2为本发明第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的结构示意图；
图3为本发明第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的结构示意图；
图4为本发明单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的结构示意图；
图5为本发明石英晶体X′轴的交叉场激励电极的结构示意图；
图6为本发明石英晶体X′轴的同线场激励电极的结构示意图。
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
请参阅图1、图2和图5所示，单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，由五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片、石英真空敏感谐振器管座12和石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽8构成，五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片2置于石英真空敏感谐振器管座12和石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽8所构成的真空敏感谐振器封装部件3内。
石英真空敏感谐振器管座12包括可伐合金——玻璃管座底盘16a、科伐合金管座侧壁21、绝缘玻璃体22以及均匀分布与绝缘玻璃体22内的第一管脚13、第二管脚14和第三管脚15，可伐合金——玻璃管座底盘16a和科伐合金侧壁21是一体的结构，科伐合金侧壁21位于可伐合金——玻璃管座底盘16a之上，可伐合金——玻璃管座底盘16a的周边被可伐合金侧壁21包围，科伐合金侧壁21之高度大于可伐合金——玻璃管座底盘16a的高度，科伐合金管座侧壁21的侧壁上边缘的两端分别设有第一条形纵向槽19a和第二条形纵向槽19b，玻璃绝缘体22设置于可伐合金侧壁21的包围区域内，第一管脚13、第二管脚14和第三管脚15皆由镀金的科伐合金构成。
请参阅图1、图2和图5所示，面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2为第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-1，第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-1由两组各自具有五叉臂的石英音叉——第一组五叉臂的单闭端石英音叉61和第二组五叉臂的单闭端石英音叉81，并在它们自己的基区相互完全重叠或部分重叠的公共重叠基区的内发生面弯曲振动模式耦合构成的双开端音叉式石英谐振器，它的第一组五叉臂的单闭端石英音叉61位于第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-1的上方，第二组五叉臂的单闭端石英音叉81位于第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-1的下方，两者位于同一片石英晶片上，它们的基区相对设置，并且关于公共重叠基区的中央对称面是轴对称的。
第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-1的公共重叠基区的两侧设有两枚于其同样切型石英晶体的一体化突出支撑梁，即第一支撑梁11a和第二支撑梁11b，其切型是(yxtl)-24°～-50°/5°～15°石英晶体，第一支撑梁11a和第二支撑梁11b的厚度与公共重叠基区的厚度相等，而它的宽度尺寸F等于公共重叠基区宽度尺寸B的0.1～0.8倍，即F＝0.1～0.8B，第一支撑梁11a和第二支撑梁11b分别置于第一条形纵向槽19a和第二条形纵向槽19b内，且支撑梁与条形纵向槽结合成一体结构。
(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体颇适宜面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器以及面弯曲模的单片型双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器使用，其温度稳定性远优于现在的单闭端石英音叉式和双闭端石英音叉谐振器。此外，它的顶点温度可选择的范围较宽，并且其寄生振动模式较难激励。值得一提的，该双转角新切型的X轴向的压电电场分量较高，比目前使用的石英晶体切型的X轴向的压电电场分量高将近两倍。对于石英晶体的X射线定向精度、切片工艺误差要求不太苛刻，从而能够为提升真空敏感谐振器的技术指标，提高成品率，改善佳产品的一致性，降低生产成本提供了可能性。
按照国际无线电工程学会(IRE)标准规定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。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t和第四个字母l以及角度24°～50°/-5°～-15°表示石英晶片首先绕厚度t，逆时针方向旋转24°～50°后，再绕长度l，沿着顺时针方向旋转-5°～15°。
第一支撑梁11a上设有两枚相互绝缘的但可焊接导线的第一金属汇流条101a和第二金属汇流条101b，第二支撑梁11b上设有两枚相互绝缘的但可焊接导线的第三金属汇流条101c和第四金属汇流条101d，第一金属汇流条101a与第一管脚13电连接，第三金属汇流条101c与第三管脚15电连接，第二金属汇流条101b、第四金属汇流条101d都与第二管脚14电连接，并与公共地线相连。
第一组五叉臂的单闭端石英音叉61包括臂宽为W1的第一叉臂62、臂宽为W2的第二叉臂63、臂宽为W0的第三叉臂64、臂宽为W2的第四叉臂65、臂宽为W1的第五叉臂66；第二组五叉臂的单闭端石英音叉81包括臂宽为W1的第六叉臂82、臂宽为W2的第七叉臂83、臂宽为W0的第八叉臂84、臂宽为W2的第九叉臂85、臂宽为W1的第十叉臂86；第一组五叉臂的单闭端石英音叉61和第二组五叉臂的单闭端石英音叉81的各叉臂长度方向彼此相互平行，并且皆与石英晶体的X′轴方向同向，而每组五叉臂的单闭端石英音叉的叉臂宽度方向都是与石英晶体的Z〃轴方向平行，每组五叉臂的单闭端石英音叉的叉臂的厚度方向都是与石英晶体的Y′轴方向平行；第一组五叉臂的单闭端石英音叉61与第二组五叉臂的单闭端石英音叉81都是基波面弯曲振动模式工作。
第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-1共有10枚叉臂，并且除了位于第一组五叉臂的单闭端石英音叉61中央的第三叉臂64以及位于第二组五叉臂的单闭端石英音叉81中央的第八叉臂84以外，第一组五叉臂的单闭端石英音叉61的两个相邻叉臂以及第二组五叉臂的单闭端石英音叉81的两个相邻叉臂都是成对设置，设第一组五叉臂的单闭端石英音叉61之中央的第三叉臂64或第二组五叉臂的单闭端石英音叉81之中央的第八叉臂84的叉臂的宽度为W0，则的叉臂W0尺寸最大；其它各枚叉臂宽度尺寸相等，并都等于0.826～0.707W0。
请参阅图5所示，第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-1的激励电极采用石英晶体X′轴的交叉场激励电极，它的石英晶体X′轴的交叉场激励电极结构如下：
由第一子电极62′a和第二子电极62′b组成的第一激励电极62′、由第三子电极63′a和第四子电极63b′组成的第二激励电极63′、由第五子电极64′a和第六子电极64b′组成的第三激励电极64′、由第七子电极65′a和第八子电极65b′组成的第四激励电极65′以及由第九子电极66′a和第十子电极66b′组成的第五激励电极66′分别由依次位于第一叉臂62、第二叉臂63、第三叉臂64、第四叉臂65和第五叉臂66的前表面,并且依次关于第一叉臂62的对称中心轴E1、第二叉臂63的对称中心轴E2、第三叉臂64的对称中心轴E3，第四叉臂65的对称中心轴E4和第五叉臂66的对称中心轴E5成轴对称关系；由第二一子电极62′*′a和第二二子电极62′*′b组成的第一配对激励电极62*′、由第二三子电极63′*′a和第二四子电极63′*′b组成的第二配对激励电极63*′、由第二五子电极64′*′a和第二六子电极64′*′b组成的第三配对激励电极64*′、由第二七子电极65′*′a和第二八子电极65′*′b组成的第四配对激励电极65*′以及由第二九子电极66′*′a和第二十子电极66′*′b组成的第五配对激励电极66*′依次位于第一叉臂62、第二叉臂63、第三叉臂64、第四叉臂65和第五叉臂66的后表面，并且依次关于其晶片中心面A-A与第一激励电极62′、第二激励电极63′、第三激励电极64′、第四激励电极65′和第五激励电极66′为中心对称，请参阅图2所示，E-E面为x′-y′面。A-A面为x′-z〞面。
各叉臂激励电极面积从中央向左、右两侧是逐渐减小，满足海明加权函数，并且上下两枚音叉式石英谐振器的激励电极的相位相反，如果以第一组多叉臂的单闭端石英音叉61之中央叉臂或第二组多叉臂的单闭端石英音叉81之中央叉臂为参照物，那么愈远离中央叉臂，其叉臂的激励电极面积电极的长度、宽度愈小，满足海明加权函数，即中央叉臂激励电极面积最大，是海明加权函数的极值点，而位于中央叉臂两侧的叉臂激励电极面积按照海明加权函数的数学表达式比例逐渐减小。
该海明加权函数的数学表达式如下：
Figure BDA0003486078350000171
式中，W(t)是每枚叉臂的激励电极面积；t代表叉臂枚数顺序的位置，t≥0，即第0枚、第1枚、第2枚﹍﹎；T是第一组多叉臂的单闭端石英音叉61或第二组多叉臂的单闭端石英音叉81的总叉臂的激励电极面积；π是圆周率。W0≥Wn≥Wn-1≥Wn-2﹍﹎≥W2≥W1，从而叉臂的激励电极面积从中央向左、右两侧是逐渐减小，并且上下两枚音叉式石英谐振器的激励电极的相位相反。
请参阅图1和图2所示，第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-1的公共重叠基区内采用了面弯曲振动模石英音叉谐振器的热弹性效应负面影响抑制结构，面弯曲振动模石英音叉谐振器的热弹性效应负面影响抑制结构是：
第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-1采用较薄的双转角(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体，并且在它的公共重叠基区内各相邻叉臂交界处的前部和后部分别设置m枚椭圆形盲槽，m≥4。
如图2所示，当m＝8，即第一枚椭圆形盲槽202a、第二枚椭圆形盲槽202b、第三枚椭圆形盲槽202c、第四枚椭圆形盲槽202d、第五枚椭圆形盲槽203a、第六枚椭圆形盲槽203b、第七枚椭圆形盲槽203c、第八枚椭圆形盲槽203d分别设置在相邻叉臂交界处的上表面；它们的椭圆长轴方向共线，皆与双转角(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体的Z〃轴(光轴)方向一致；其椭圆形盲槽的椭圆短轴皆与双转角(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体的X'轴(电轴)方向一致，并且各椭圆形盲槽的椭圆中心皆位于相邻两叉臂间距的中心线上；同理，在公共重叠基区的后表面依次加工与前表面椭圆形盲槽关于公共重叠基区的厚度中心面成轴对称的8枚椭圆形盲槽。
利用射频磁控溅射法，在前、后表面的椭圆形盲槽的沟槽底面和侧壁制备多层金属-陶瓷复合膜，即镍、银、堇青石陶瓷、钛、钯的复合膜，其中镍膜厚度为60～80nm，银膜厚度为100～120nm、堇青石陶瓷膜厚度为3～8nm钛膜厚度为4～9nm、钯膜厚度为60～80nm。
将第一支撑梁11a和第二支撑梁11b分别置入石英真空敏感谐振器管座12侧壁的第一条形槽19a和第二条形槽19b后，填入低熔点玻璃粉料膏，利用玻璃烧结工艺依次形成了第一低熔点玻璃粉料封接区295和第二低熔点玻璃粉料封接区296。
本发明的低熔点玻璃料的封接温度为430±15℃，不能使周边部件氧化、污染，也不会给高真空带来污染，也不能使石英晶体出现双晶、相变，带来热应力很低。与现有技术不同，它不仅与(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体、可伐合金的热膨胀系数匹配，而且它的声阻抗也颇为匹配。更具有特色的是该低熔点玻璃料形成的封接区295、封接区296，不仅与面弯曲振动、扭曲振动模式传播媒质的输入声阻抗匹配，而且在封接区295、封接区296内对于面弯曲振动、扭曲模式振动的传播具有高阻尼。
第一低熔点玻璃粉料封接区295和第二低熔点玻璃粉料封接区296的低熔点玻璃粉料是由非晶态硼酸铅低熔点玻璃粉末、硅锌矿粉末、硅酸锆粉末、氧化锌粉末和氧化铬粉末构成。其化学组分(重量比)如下：
非晶态硼酸铅低熔点玻璃粉末：硅锌矿粉末：硅酸锆粉末：氧化锌粉末：氧化铬粉末＝(40～75％)：(2～20％):(10～25％)：(0.5～30％)：(0.1～10％)，其中，氧化锌粉末和氧化铬粉末的粒度为6000～8000目。
因为钯膜可焊性佳、导电和抗氧化好、稳定可靠，颇适宜作为最表层，堇青石陶瓷、钛膜很薄，容易构成多孔膜，阻尼较高，其声阻抗又与面弯曲模和扭曲模比较匹配，可抑制面弯曲模和扭曲模能量的外泄，提升其能阱作用，故作为中间过渡层；镍膜与双转角(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体的亲和力大，附着力强，银膜导电率最高，但抗氧化，耐腐蚀性不如金，可是有堇青石陶瓷陶瓷、钛、钯膜的保护，可扬长避短，不仅导电性好，与椭圆形盲槽石英表面的亲和力高，附着力强，而且耐老化特性佳，对面弯曲模和扭曲模的吸收能力强，因此把它作为与石英晶片的接触层，或称为底层。
由于采用较薄的(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体片、面弯曲模工作、导电性好、耐老化和对面弯曲模吸收能力强的多层金属-陶瓷复合膜，能够抑制或消除热弹性效应产生的负面影响，提升对面弯曲模和扭曲模的能阱作用，从而提高了Q值，改善了真空分辨率和测量准确度。
其目的不仅使第一低熔点玻璃粉料封接区295和第二低熔点玻璃粉料封接区296的热膨胀系数与(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体±Y′轴(机械轴)方向的热膨胀系数比较匹配，而且能够使得第一低熔点玻璃粉料封接区295和第二低熔点玻璃粉料封接区296的声阻抗与(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体的面弯曲振动模式、扭曲振动模式的声阻抗比较匹配，使得漏泄的面弯曲振动模式、扭曲振动模式振动容易进入第一低熔点玻璃粉料封接区295和第二低熔点玻璃粉料封接区296内部，并且在该区域内由于对其振动传播阻尼很高，从而抑制了振动能量泄露。因此该方案不仅解决了面弯曲模的单片型双开端多叉臂石英音叉真空敏感谐振器的支撑机构难题，而且还能够缩小基区面积，提升Q值，改善了敏感真空的灵敏度。
石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽8位于可伐合金-——玻璃管座底盘16a和科伐合金侧壁21一体结构的上端，石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩8与石英真空敏感谐振器管座12过盈配合，石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩8包围第一条形槽19a和第二条形槽19b，使五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片2与周边环境隔离。
石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩8由第一层过滤元和第二层过滤元构成：第一层过滤元位于石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩8的最外层，它由有机多孔基片以及设置在其外表面的铬-硫化铜-锡合金与磷酸三钙复合薄膜组成，主要担负过滤粉尘、杂质、防霉、抗菌、可长期保持过滤罩形体等作用，的有机多孔基片是由抗霉特性佳、不产生静电的醋酸纤维素无纺布或醋酸纤维素滤布经过再改性处理构成的低密度有机多孔基片，其厚度为0.10～0.5mm，利用水流体进行比拟测量，在250mm/sec条件下，其压力损失为0～0.3mm水柱。
在有机多孔基片外表面上制备了铬-硫化铜-锡合金与磷酸三钙复合薄膜的抗菌防霉过滤膜，它的铬-硫化铜-锡合金与磷酸三钙复合薄膜的化学组分(重量比)为：铬的含量为5～10％，硫化铜的含量为40～70％，锡含量为15～20％，磷酸三钙为25～35％，铬-硫化铜-锡合金与磷酸三钙复合薄膜是利用射频溅射工艺和/或丝网印刷厚膜工艺制作的。
第二层过滤元是由不产生静电的难燃的醋酸纤维素有机纤维层与有机热塑性树脂材料—隔热保温特性优良的自交联型丙烯酸酯共聚物复合而成的多孔过滤膜，它的机械强度高、隔热特性好，滤除粉尘能力强，过滤特性的长期稳定性优良，使用寿命长，第二层过滤元是在醋酸纤维素纤维层表面上制备了自交联型丙烯酸酯共聚物层构成的，自交联型丙烯酸酯共聚物与改性的醋酸纤维素的化学组分(重量比)是15％～25％：82％～75％，是采用单面涂覆或单面高压喷涂工艺制作的。
工作原理：该单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器是一种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动态电阻Z变化的阻抗型真空敏感谐振元件。与惯用的厚度弯曲模式石英音叉真空敏感谐振器不同，它的叉臂弯曲振动方向不是沿着音叉厚度方向，而是沿着与厚度方向成90°角的方向。它是由两组基波-面弯曲振动模式工作的五叉臂石英音叉振动矢量叠加而成，通过选择适宜的激励电极结构和石英晶体切型，能够使得它的10枚叉臂的弯曲方向都是沿着石英晶体的±Y′轴方向，并且每个叉臂表面面积在±Y′方向是最大的，而在公共重叠基区内的振动漏泄很小。因此使得各枚叉臂与被敏感的真空器具内残存气体接触面积最大，并且弯曲振动时受到的阻尼和加载的影响最强，动态电阻变化量最大，显著地提升了石英音叉真空敏感谐振器的真空灵敏度。
实施例二
请参阅图3和图6所示，面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2为第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-3，第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-3与第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-1的差别如下：
1、第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-3的两个支撑梁——第三支撑梁11c和第四支撑梁11d并不是设置在公共重叠基区左右侧两侧，而是设置在第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-3的前、后方。
第三支撑梁11c和第四支撑梁11d是一体化的支撑梁，它从第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-3基区上的方形通孔201插入，并在方形通孔201与第三支撑梁11c和第四支撑梁11d的之间的缝隙内、石英真空敏感谐振器管座12侧壁的第一条形槽19a、第二条形槽19b与第三支撑梁11c和第四支撑梁11d之间的缝隙内，填加本发明的低熔点玻璃粉料膏，利用玻璃烧结工艺依次在第一条形槽19a、第二条形槽19b与第三支撑梁11c和第四支撑梁11d之间的缝隙内、方形通孔201与一体化的第三支撑梁11c和第四支撑梁11d的之间的缝隙内依次形成了第三低熔点玻璃粉料封接区、第四低熔点玻璃粉料封接区和第五低熔点玻璃粉料封接区，上述低熔点玻璃粉料封接区的制作工艺与实施例一中的低熔点玻璃粉料封接区的制作工艺相同；
2、第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-3采用的电极是石英晶体X′轴电轴的同线场电极激励电极。
请参阅图6所示，图6为图3中各叉臂B-B面剖视电场示意图，石英晶体X′轴的同线场电极激励电极的结构如下：由第三一子电极72′a和第三二子电极72′b组成的第六激励电极72′、由第三三子电极73′a和第三四子电极73b′组成的第七激励电极73′、由第三五子电极74′a和第三六子电极74b′组成的第八激励电极74′、由第三七子电极75′a和第三八子电极75b′组成的第九激励电极75′、由第三九子电极76′a和第三十子电极76b′组成的第十激励电极76′依次位于第一叉臂、第二叉臂、第三叉臂、第四叉臂、和第五叉臂的前表面；由第四一子电极72′*′a和第四二子电极72′*′b组成的第六配对激励电极72*′、由第四三子电极73′*′a和第四四子电极73′*′b组成的第七配对激励电极73*′、由第四五子电极74′*′a和第四六子电极74′*′b组成的第八配对激励电极74*′、由第二七子电极75*″a和第四八子电极75′*′b组成的第九配对激励电极75*′、由第四九子电极76′*′a和第四十子电极76′*′b组成的第十配对激励电极76*′依次位于第一叉臂、第二叉臂、第三叉臂、第四叉臂和第五叉臂的后表面，并且关于晶片中心层依次与第六激励电极72′、第七激励电极73′、第八激励电极74′、第就激励电极75′和第十激励电极76′为中心对称；
设某一时刻位于石英音叉上表面的第六激励电极72′的第三一子电极72′a为正电位，而第三二子电极72′b为负电位，则位于前表面第六激励电极72′的第三一子电极72′a之间的电力线方向沿着是石英晶体的X′轴方向，而位于石英音叉下表面的第六配对激励电极72*′的第四一子电极72′*′a和第四二子电极72′*′b之间的电力线方向沿着是石英晶体的X′轴的反方向；同理，位于石英音叉上表面的第七激励电极73′的第三三子电极73′a和第三四子电极73b′、位于石英音叉下表面的第七配对激励电极73*′的第四三子电极73′*′a和第四四子电极73′*′b之间的电力线依次为石英晶体的X′轴正向或反向，其它电极的电力线以此类推，从而由于石英晶体X′轴正、反向压电场的推挽作用，每枚叉臂都能够产生面弯曲模式振动。
实施例三
请参阅图4和图6所示,面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2为单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-2，单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-2与第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-1的差别如下：
1、单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片2-2由两组各自具有五叉臂的石英音叉构成，第一枚五叉臂的石英音叉的外侧边缘的第一叉臂和第五叉臂的顶端以及第二叉臂和第四叉臂的顶端依次设置了一体化的第一枚条型石英晶体水平梁401、第二枚条型石英晶体水平梁402；第一枚条型石英晶体水平梁401的高度H1等于第一叉臂或第五叉臂宽度的0.7～2倍；第二枚条型石英晶体水平梁402的高度H2等于第二叉臂或第四叉臂宽度的0.5～1.8倍；同理，第二枚五叉臂的石英音叉的第一叉臂和第五叉臂的顶端以及第二叉臂和第四叉臂的顶端依次设置了一体化的第三枚条型石英晶体水平梁401*和第四枚条型石英晶体水平梁402*；第三枚条型石英晶体水平梁401*的高度H3等于第二枚五叉臂的石英音叉的第一叉臂或第五叉臂宽度的0.7～2倍；第四枚条型石英晶体水平梁402*的高度H4等于的第二叉臂或第四叉臂宽度的0.5～1.8倍；第一枚条型石英晶体水平梁401、第二枚条型石英晶体水平梁402、第三枚条型石英晶体水平梁401*和第四枚条型石英晶体水平梁402*的厚度与各叉臂的厚度尺寸相同，并且在每枚条型石英晶体水平梁的上、下表面都设置了金属膜电极，并且分别与对应的激励电极相连。
2、五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片2-2的支撑梁——第五支撑梁11e和第六支撑梁11f并不是设置在公共重叠基区左右侧两侧，而是设置在五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片2-2的前、后面的方形通孔内，填加本发明的低熔点玻璃粉料膏，烧结而成，与实施例二中支撑梁结构相同。
3、五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片2-2的支撑梁的激励电极采用石英晶体X′轴的同线场激励电极，与实施例二中激励电极相同。
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)

1.一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器由五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片、石英真空敏感谐振器管座和石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽构成，所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片置于所述石英真空敏感谐振器管座和所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽所构成的真空敏感谐振器封装部件内；
所述石英真空敏感谐振器管座包括可伐合金——玻璃管座底盘、科伐合金管座侧壁、绝缘玻璃体以及均匀分布与所述绝缘玻璃体内的第一管脚、第二管脚和第三管脚，所述可伐合金——玻璃管座底盘和科伐合金侧壁是一体的结构，科伐合金侧壁位于可伐合金——玻璃管座底盘之上，所述科伐合金管座侧壁的侧壁上边缘的两端分别设有第一条形纵向槽和第二条形纵向槽，所述玻璃绝缘体设置于所述可伐合金侧壁的包围区域内，所述第一管脚、第二管脚和第三管脚皆由镀金的科伐合金构成；
所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片的公共重叠基区的两侧设有两枚与五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片同样切型石英晶体的一体化突出支撑梁，其切型是(yxtl)-24°～-50°/5°～15°石英晶体，两个支撑梁分别置于所述第一条形纵向槽和第二条形纵向槽内，且支撑梁与条形纵向槽结合成一体结构，两个支撑梁通过金属汇流条与管脚电连接；
所述的石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽位于所述可伐合金-——玻璃管座底盘和科伐合金侧壁一体结构的上端，所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩与所述石英真空敏感谐振器管座过盈配合，所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩包围第一条形槽和第二条形槽，使所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片与周边环境隔离。
2.根据权利要求1所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片为第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片；
所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片由两组各自具有五叉臂的石英音叉——第一组五叉臂的单闭端石英音叉和第二组五叉臂的单闭端石英音叉，并在它们自己的基区相互完全重叠或部分重叠的公共重叠基区的内发生面弯曲振动模式耦合构成的双开端音叉式石英谐振器，它的第一组五叉臂的单闭端石英音叉位于第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的上方，第二组五叉臂的单闭端石英音叉位于第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的下方，两者位于同一片石英晶片上，它们的基区相对设置，并且关于公共重叠基区的中央对称面是轴对称的；
所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的公共重叠基区的左右两端分别设有两枚于其同样切型石英晶体的一体化突出支撑梁，即第一支撑梁和第二支撑梁，所述第一支撑梁和第二支撑梁分别置于所述第一条形纵向槽和第二条形纵向槽内，且支撑梁与条形纵向槽结合成一体结构；
所述第一支撑梁上设有两枚相互绝缘的但可焊接导线的第一金属汇流条和第二金属汇流条，所述第二支撑梁上设有两枚相互绝缘的但可焊接导线的第三金属汇流条和第四金属汇流条，第一金属汇流条与第一管脚电连接，第三金属汇流条与第三管脚电连接，第二金属汇流条、第四金属汇流条都与第二管脚电连接，并与公共地线相连。
3.根据权利要求2所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的第一组五叉臂的单闭端石英音叉包括臂宽为W1的第一叉臂、臂宽为W2的第二叉臂、臂宽为W0的第三叉臂、臂宽为W2的第四叉臂、臂宽为W1的第五叉臂；第二组五叉臂的单闭端石英音叉包括臂宽为W1的第六叉臂、臂宽为W2的第七叉臂、臂宽为W0的第八叉臂、臂宽为W2的第九叉臂、臂宽为W1的第十叉臂；第一组五叉臂的单闭端石英音叉和第二组五叉臂的单闭端石英音叉的各叉臂长度方向彼此相互平行，并且皆与石英晶体的X′轴方向同向，而每组五叉臂的单闭端石英音叉的叉臂宽度方向都是与石英晶体的Z〃轴方向平行，每组五叉臂的单闭端石英音叉的叉臂的厚度方向都是与石英晶体的Y′轴方向平行；第一组五叉臂的单闭端石英音叉与第二组五叉臂的单闭端石英音叉都是基波面弯曲振动模式工作。
4.根据权利要求3所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片共有10枚叉臂，并且除了位于第一组五叉臂的单闭端石英音叉中央的第三叉臂以及位于第二组五叉臂的单闭端石英音叉中央的第八叉臂以外，第一组五叉臂的单闭端石英音叉的两个相邻叉臂以及第二组五叉臂的单闭端石英音叉的两个相邻叉臂都是成对设置，设第一组五叉臂的单闭端石英音叉之中央的第三叉臂或第二组五叉臂的单闭端石英音叉之中央的第八叉臂的叉臂的宽度为W0，则所述的叉臂W0尺寸最大；其它各枚叉臂宽度尺寸相等，并都等于(0.826～0.707)W0。
5.根据权利要求4所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的激励电极采用石英晶体X′轴的交叉场激励电极，所述的石英晶体X′轴的交叉场激励电极结构如下：
由第一子电极和第二子电极组成的第一激励电极、由第三子电极和第四子电极组成的第二激励电极、由第五子电极和第六子电极组成的第三激励电极、由第七子电极和第八子电极组成的第四激励电极以及由第九子电极和第十子电极组成的第五激励电极分别由依次位于第一叉臂、第二叉臂、第三叉臂、第四叉臂和第五叉臂的前表面,并且依次关于第一叉臂的对称中心轴E1、第二叉臂的对称中心轴E2、第三叉臂的对称中心轴E3，第四叉臂的对称中心轴E4和第五叉臂的对称中心轴E5成轴对称关系；由第二一子电极和第二二子电极组成的第一配对激励电极、由第二三子电极和第二四子电极组成的第二配对激励电极、由第二五子电极和第二六子电极组成的第三配对激励电极、由第二七子电极和第二八子电极组成的第四配对激励电极以及由第二九子电极和第二十子电极组成的第五配对激励电极依次位于第一叉臂、第二叉臂、第三叉臂、第四叉臂和第五叉臂的后表面，并且依次关于其晶片中心面A-A与第一激励电极、第二激励电极、第三激励电极、第四激励电极和第五激励电极为中心对称；
各叉臂激励电极面积从中央向左、右两侧是逐渐减小，满足海明加权函数，并且上下两枚音叉式石英谐振器的激励电极的相位相反。
6.根据权利要求5所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的公共重叠基区内采用了面弯曲振动模石英音叉谐振器的热弹性效应负面影响抑制结构；
所述面弯曲振动模石英音叉谐振器的热弹性效应负面影响抑制结构是：
所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片采用较薄的双转角(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体，并且在它的公共重叠基区内各相邻叉臂交界处的前部和后部分别设置m枚椭圆形盲槽，m≥4；
当m＝8，即第一枚椭圆形盲槽、第二枚椭圆形盲槽、第三枚椭圆形盲槽、第四枚椭圆形盲槽、第五枚椭圆形盲槽、第六枚椭圆形盲槽、第七枚椭圆形盲槽、第八枚椭圆形盲槽分别设置在相邻叉臂交界处的上表面；它们的椭圆长轴方向共线，皆与双转角(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体的Z〃轴(光轴)方向一致；其椭圆形盲槽的椭圆短轴皆与双转角(yxtl)-24°～-50°/5°～15°切型石英晶体的X'轴(电轴)方向一致，并且各椭圆形盲槽的椭圆中心皆位于相邻两叉臂间距的中心线上；同理，在公共重叠基区的后表面依次加工与前表面椭圆形盲槽关于公共重叠基区的厚度中心面成轴对称的8枚椭圆形盲槽。
7.根据权利要求1所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片为第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片；
所述第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片由两组各自具有五叉臂的石英音叉构成，并在它们自己的基区相互完全重叠或部分重叠的公共重叠基区的内发生面弯曲振动模式耦合构成的双开端音叉式石英谐振器，它们的基区相对设置，并且关于公共重叠基区的中央对称面是轴对称的；
所述第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的公共重叠基区的前后两侧分别设有两枚于其同样切型石英晶体的一体化突出支撑梁，即第三支撑梁和第四支撑梁，所述第三支撑梁和第四支撑梁是一体化的支撑梁，它从第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片基区上的方形通孔插入，并在方形通孔与第三支撑梁和第四支撑梁的之间的缝隙内、石英真空敏感谐振器管座侧壁的第一条形槽、第二条形槽与第三支撑梁和第四支撑梁之间的缝隙内，填加本发明的低熔点玻璃粉料膏，利用玻璃烧结工艺依次在第一条形槽、第二条形槽与第三支撑梁和第四支撑梁之间的缝隙内、方形通孔与一体化的第三支撑梁和第四支撑梁的之间的缝隙内依次形成了第三低熔点玻璃粉料封接区、第四低熔点玻璃粉料封接区和第五低熔点玻璃粉料封接区；
所述第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的公共重叠基区内采用了面弯曲振动模石英音叉谐振器的热弹性效应负面影响抑制结构，所述第二单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片采用的电极是石英晶体X′轴(电轴)的同线场电极激励电极。
8.根据权利要求1所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片为单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片；
所述单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片由两组各自具有五叉臂的石英音叉构成，第一枚五叉臂的石英音叉的外侧边缘的第一叉臂和第五叉臂的顶端以及第二叉臂和第四叉臂的顶端依次设置了一体化的第一枚条型石英晶体水平梁、第二枚条型石英晶体水平梁；第一枚条型石英晶体水平梁的高度H1等于第一叉臂或第五叉臂宽度的0.7～2倍；第二枚条型石英晶体水平梁的高度H2等于第二叉臂或第四叉臂宽度的0.5～1.8倍；同理，第二枚五叉臂的石英音叉的第一叉臂和第五叉臂的顶端以及第二叉臂和第四叉臂的顶端依次设置了一体化的第三枚条型石英晶体水平梁和第四枚条型石英晶体水平梁；第三枚条型石英晶体水平梁的高度H3等于第二枚五叉臂的石英音叉的第一叉臂或第五叉臂宽度的0.7～2倍；第四枚条型石英晶体水平梁的高度H4等于的第二叉臂或第四叉臂宽度的0.5～1.8倍；第一枚条型石英晶体水平梁、第二枚条型石英晶体水平梁、第三枚条型石英晶体水平梁和第四枚条型石英晶体水平梁的厚度与各叉臂的厚度尺寸相同，并且在每枚条型石英晶体水平梁的上、下表面都设置了金属膜电极，并且分别与对应的激励电极相连；
所述单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的公共重叠基区内采用了面弯曲振动模石英音叉谐振器的热弹性效应负面影响抑制结构，所述单片型面弯曲模的双组开端-闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的激励电极采用石英晶体X′轴的同线场激励电极。
9.根据权利要求1所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：将两个支撑梁分别置入所述石英真空敏感谐振器管座侧壁的第一条形槽和第二条形槽后，填入低熔点玻璃粉料膏，利用玻璃烧结工艺依次形成了第一低熔点玻璃粉料封接区和第二低熔点玻璃粉料封接区。
10.根据权利要求1所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩由第一层过滤元和第二层过滤元构成：第一层过滤元位于石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩的最外层，它由有机多孔基片以及设置在其外表面的铬-硫化铜-锡合金与磷酸三钙复合薄膜组成；
第二层过滤元是由不产生静电的难燃的醋酸纤维素有机纤维层与有机热塑性树脂材料—隔热保温特性优良的自交联型丙烯酸酯共聚物复合而成的多孔过滤膜。
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CN117220634A (zh) * 2023-09-14 2023-12-12 黑龙江东方学院 一种适宜无线无源式传感器使用的石英热敏谐振器

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