CN115855300A - 一种卧式长度伸缩模石英温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及石英温度传感器技术领域，具体涉及一种卧式长度伸缩模石英温度传感器，包括卧式金属封装壳体和长度伸缩模石英热敏谐振器，其中，长度伸缩模石英热敏谐振器包括有热敏谐振器主体、第一石英安装柱和第二石英安装柱，热敏谐振器主体的左、右两侧分别设有对应安装所述第一石英安装柱和第二石英安装柱的第一安装通孔和第二安装通孔，热敏谐振器主体包括有长度伸缩振动臂、石英外框、第一桥式连接振动梁和第二桥式连接振动梁。本发明提供的一种卧式长度伸缩模石英温度传感器，可以宽温区工作、体积小、抗干扰能力强，温度分辨率高、精度高、准确度佳，响应速度快、功耗低、重复性好，长期稳定性优。

Description

一种卧式长度伸缩模石英温度传感器

技术领域

本发明涉及石英温度传感器技术领域，具体涉及一种卧式长度伸缩模石英温度传感器。

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，它以高准确度、高稳定、超高分辨率等优良特性而闻名。其工作机制是“谐振”，不是靠分子热运动产生的“电阻”、“电动势”，因此它即使在超低温时仍然具有高性能，尤其是它的高分辨率、高精度、高稳定和耐恶劣环境工作能力颇受青睐。目前谐振式石英温度传感器大致有两大类：

1、采用厚度切变模的高频谐振式石英温度传感器，例如本申请发明人之一的中国发明专利CN100554900C、CN100555840C、CN1162691C等。

2、谐振式石英音叉温度传感器，例如本申请发明人之一的中国专利CN111238676B、CN201314848Y以及Lin Jiang,Fan Ja-ling,Zhang bin-hua et al的论文:Low-cost high-performance quartz tuning-fork temperature sensor] [C]ICECM-ICSA’95 Proceedings of International Conference on Electronic Components,Sensors and Actuators,1995, 326~328以及 He Jin,Chen Zhaoyang,Lin Jiang et al:A new Low-cost high-performance quartz tuning-fork temperature sensor [J]Sensor Review,2003,VOL.23 No.2,134~142，它们都是采用弯曲振动模的谐振式石英温度传感器。

遗憾的是它们存在下述缺点：

1、目前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，可是其工作频率太高（10~29.3MHz）。因此，为了保证稳定振荡，通常石英热敏谐振器与配合电路的距离不能大于500mm。此外，虽然石英热敏谐振器的耐核辐照工作能力强，可是与石英温度传感器配合的硅半导体IC却在抗核辐照、耐高温方面是短板。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颇低核辐照或常温区域，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。显然，石英热敏谐振器与配合的外围电路的最大距离小于500mm的限制，使得厚度切变模式传感器在某些应用中丧失了竞争力。

2、厚度切变模式的工作频率高，因此不仅功耗较大，一般为数mW~数十mW，生产成本高，而且体积大，响应速度慢。显然，不太适宜要求低功耗的某些袖珍仪器、火箭、军用无人机、卫星等航天或航空装置使用。

3、通常频率越高，改善其电磁兼容性（EMC）越困难；尤其多路频率传感器的信号邻近大流量传输时，高频频率牵引现象产生的干扰将更加严重。

4、音叉式石英温度传感器，其频率低，通常为32kH_Z~250kH_Z。其石英热敏谐振器与外围电路的距离可以比厚度切变模的大很多，可达3~10m。其Q值高，功耗小，可是与厚度切变振动模式相比，其工作频率有点太低，特别是弯曲振动模式，其分辨率、准确度和长期稳定性都不及厚度切变振动模式的。例如，航天长征火箭技术有限公司韩东祥、邹江波、张世名等的论文：“石英音叉谐振式温度敏感元件设计”中发表该公司样品的测试指标是：标称频率为67377.656Hz，灵敏度为-0.71Hz/℃，一阶频率-温度系数为-1.2251*10^-5/℃，重复性为0.022%，迟滞为0.054%（参见纳米技术与精密工程，2016年，第14卷，第5期，384-389）。目前石英音叉温度传感器产品的外形尺寸主要有φ2mm和φ3mm两种，不同的是弯曲振动模的谐振频率为32~40KHz，扭曲振动模的谐振频率为172~250KHz，可是通常前者的一阶频率-温度系数（40~80*10^-6/℃）远高于后者（通常为30~46*10^-6*/℃）。不同的是，后者的频温特性曲线的二阶温度系数可以等于零，三阶温度系数可接近于零，即其频温特性曲线的线性颇好。

简言之，采用厚度切变振动模的透镜式、柱状式石英温度传感器以及使用弯曲振动模或扭曲振动模的音叉式石英温度传感器各有千秋，都有某些不尽人意之处，特别是航天、航空、核潜艇、军用无人机、导弹、鱼雷生产部门迫切需要一种工作频率不很高、可以宽温区工作、体积小、功耗低、精度高、响应速度快、重复性好，抗强机械振动、冲击优良，长期稳定性佳的谐振式石英温度传感器。尤其是某些设备需要一种多点无源单总线测温系统，由于它的测温点太多，因此要求其频率变化范围已经远超过传感器工作频率的倍频程，故不能仅局限于使用石英音叉温度传感器，必须研制新振动模式、更高频段的石英温度传感器。

现在已经出现了工作频率位于厚度切变振动模与弯曲振动模或扭曲振动模之间、精度高、重复性好、长期稳定性佳的一种长度伸缩模石英温度传感器，例如本申请发明人之一的发明专利CN110044511B：“一种采用非接触电极的高稳定长度伸缩模石英温度传感器”。其频率、分辨率优于石英音叉温度传感器，低于透镜式、柱状式石英温度传感器，可是它仍存在下述缺点：

1、专利CN110044511B与常规的石英音叉温度传感器一样，它采用的是φ2*6mm或φ3*8mm立式金属气密封装外壳。由于其管座的管脚既要负责供电以及电信号的传输，还要承担封装外壳内的热敏谐振器之支撑和固定任务，此外还要与石英热敏谐振器、外围电路进行焊接，并且其焊点是刚性连接，故往往将产生较大的内应力。因此强机械振动、冲击往往可能导致该石英温度传感器出现故障，甚至失效。

如图1所示，虽然发明专利CN110044511B中采取了减震措施——在其双工字梁底座201’上设置方形通孔204’，可是根据材料力学的知识可知，其整体结构并没有跳出直立式封装结构的理念，还没有摆脱单悬臂梁结构之束缚。换言之，它的耐机械振动冲击能力存在较大的提升空间，与火箭、军用无人机、卫星等航天或航空装置的苛刻使用要求还存在一定的距离。

2、专利CN110044511B使用多振臂、非接触电极结构，结构复杂，它包括双工字梁底座201’、支撑框体202’以及位于支撑框体202’内的m个梳齿片和n个谐振臂，m和n均为正整数，m＞n，m个梳齿片上金属电极的数量为2n。结构有待简化，体积和重量都需要大幅度缩减。其成品率和一致性也有待提高。更主要的是其热敏谐振器是采用湿法刻蚀技术（即各向异性腐蚀工艺）制备的，因此与弯曲振动模式、扭曲振动模式等谐振器不同，其激励电极设置在谐振臂/梳齿片的侧面，目前无法使用光学抛光技术处理其表面。故其激励电极的激励效率低，动态电阻值比较大，Q值（品质因数）小，分辨率不高，精度欠佳。显然需要采用干法刻蚀技术，例如，离子束刻蚀技术制备或修饰其谐振臂/梳齿片侧面，改善其品质。

3、专利CN110044511B所公开的长度伸缩模石英温度传感器的直立式结构不仅不方便在军用无人机、卫星等装置的一些位置安装，而且直立式结构也不能大面积的与被测体接触，仅能与被测体呈“切线型”或“点式”的接触测温，因而响应速度慢，准确度差。

4、常规的长度伸缩模石英温度传感器大都是采用湿法刻蚀技术（即各向异性腐蚀工艺）制备的。因为化学腐蚀液对石英晶体的腐蚀速度很慢，即使腐蚀速度最快的ZYt(0~2º)切型石英晶体，刻蚀时间也要12个小时左右，此外受到石英湿法刻蚀工艺的纵、横向腐蚀速率差异的约束，石英片厚度t超过0.12mm时，其侧蚀现象和残岛缺陷严重，明显地影响石英谐振器的边缘陡直和表面的性状特性。因此，更是雪上加霜。

5、专利CN110044511B所公开的长度伸缩模石英温度传感器在其石英晶体的机械轴（Y'轴）方向上的机械强度比较薄弱。实验表明，当在该方向上受到6000g加速度的机械冲击时，它的支撑片210’和支撑框体202’有时将出现破损。

6、专利CN110044511B所公开的长度伸缩模石英温度传感器的寄生振动模式多，且比较强，对主信号干扰较大，不仅给后续电路的软硬件设计和实施工作带来很大压力，而且限制了传感器的准确度和线性度的提升。

发明内容

本发明为解决现有技术中的长度伸缩模石英温度传感器存在的结构复杂，机械强度薄弱，耐机械振动、冲击能力弱的技术问题，提出了一种卧式长度伸缩模石英温度传感器，其频率为450kHz~1.25MHz，其体积小、抗干扰能力强，可耐强机械振动、冲击，温度分辨率高，精度高，响应速度快，长期稳定性优。

本发明的技术方案：

一种卧式长度伸缩模石英温度传感器，包括卧式金属封装壳体和长度伸缩模石英热敏谐振器，其中，

所述卧式金属封装壳体内设置有长度伸缩模石英热敏谐振器，所述卧式金属封装壳体上还设有从其内部伸出的第一管脚和第二管脚；

所述长度伸缩模石英热敏谐振器包括有热敏谐振器主体、第一石英安装柱和第二石英安装柱，所述热敏谐振器主体的左、右两侧分别设有对应安装所述第一石英安装柱和第二石英安装柱的第一安装通孔和第二安装通孔；所述热敏谐振器主体包括有长度伸缩振动臂、石英外框、第一桥式连接振动梁和第二桥式连接振动梁，所述长度伸缩振动臂位于所述石英外框内侧且通过所述第一桥式连接振动梁、第二桥式连接振动梁与所述石英外框连接；

所述长度伸缩振动臂的前、后两侧壁上分别设有第一激励电极和第二激励电极，所述第一桥式连接振动梁和第二桥式连接振动梁的表面上分别设有第一桥式振动梁连接电极和第二桥式振动梁连接电极，所述石英外框的表面上设有第一外框连接电极和第二外框连接电极，所述第一石英安装柱和第二石英安装柱的表面上分别设有第一石英安装柱电极和第二石英安装柱电极；所述第一激励电极通过所述第一桥式振动梁连接电极、第一外框连接电极、第一石英安装柱电极与所述第一管脚电性连接；所述第二激励电极通过所述第二桥式振动梁连接电极、第二外框连接电极、第二石英安装柱电极与所述第二管脚电性连接。

进一步地，

所述卧式金属封装壳体包括管帽和管座，所述管座上密封设置有第一玻璃粉绝缘子和第二玻璃粉绝缘子，所述第一管脚气密地穿过所述第一玻璃粉绝缘子，所述第二管脚气密地穿过所述第二玻璃粉绝缘子，所述管帽、管座、第一管脚和第二管脚均为可伐金属材质，所述管帽和管座通过储能焊或激光焊焊接成一体，形成气密型封装结构；所述卧式金属封装壳体内部为真空，或者充填氮气或氦气。

进一步地，

所述石英外框上设有第一安装通孔和第二安装通孔，所述第一安装通孔与所述第一石英安装柱通过固熔体紧密连接；所述第二安装通孔与所述第二石英安装柱也通过固熔体紧密连接。

进一步地，

所述固熔体为石墨烯碳纤维-镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷粉-三氧化钼-低温玻璃粉材料，其材料组分的配比（质量比）为：

低温玻璃粉：镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷粉：三氧化钼：石墨烯碳纤维=（43~48.5%）：（50~56%）：（0.4~6%）：（0.1~0.8%）；

其中，所述低温玻璃粉的组成配方（质量比）为：

二氧化硅：氧化铝：氧化钡：三氧化二硼：氧化锌：氧化钾=（55~75%）：（3~13%）：（6~28%）：（1~6%）：（2~16%）：（6~32%）。

进一步地，

所述石英外框包括有第一支撑框体、第二支撑框体、第一能阱阻尼振动梁、第二能阱阻尼振动梁、抗震型第一能阱陷波器、抗震型第二能阱陷波器；

所述第一支撑框体和第二支撑框体分别位于所述石英外框的左、右两侧呈对称设置，所述第一支撑框体和第二支撑框体上分别设置所述第一安装通孔和第二安装通孔；

所述长度伸缩振动臂为长条形，所述第一能阱阻尼振动梁的中部通过所述第一桥式连接振动梁正交连接所述长度伸缩振动臂的其中一条长边的中部，所述第二能阱阻尼振动梁的中部通过所述第二桥式连接振动梁正交连接所述长度伸缩振动臂的另外一条长边的中部，且所述第一能阱阻尼振动梁和第二能阱阻尼振动梁关于所述长度伸缩振动臂的横向中心线呈轴对称关系，所述第一桥式连接振动梁和第二桥式连接振动梁关于所述长度伸缩振动臂的横向中心线呈轴对称关系；

抗震型第一能阱陷波器对称设置在第一能阱阻尼振动梁的左、右两侧且与所述第一支撑框体和第二支撑框体连接，抗震型第二能阱陷波器对称设置在第二能阱阻尼振动梁的左、右两侧且与所述第一支撑框体和第二支撑框体连接，所述抗震型第一能阱陷波器和抗震型第二能阱陷波器关于所述长度伸缩振动臂的横向中心线呈轴对称关系；所述抗震型第一能阱陷波器和抗震型第二能阱陷波器分别在其内外边缘形成有正弦状、余弦状或者方波状的边缘周期凸起，所述边缘周期凸起可以是连续的，也可以是断续的；

由所述长度伸缩振动臂构成热敏信号产生区，由所述第一桥式连接振动梁、第二桥式连接振动梁、第一能阱阻尼振动梁、第二能阱阻尼振动梁、抗震型第一能阱陷波器和抗震型第二能阱陷波器构成支承区，由所述第一支撑框体、第一石英安装柱及其周边的固熔体、第二支撑框体、第二石英安装柱及其周边的固熔体构成安装固定区。

进一步地，

所述正弦状、余弦状或者方波状的边缘周期凸起的峰值高度H=(0.25~1)λ*N，其中，λ是在参考温度条件下长度伸缩模石英热敏谐振器的谐振波长，N为正整数。

进一步地，

设所述长度伸缩振动臂的长度为L0、宽度为W0、厚度为T0，所述第一桥式连接振动梁和第二桥式连接振动梁的宽度相等皆为W1、厚度相等皆为T1，所述第一能阱阻尼振动梁和第二能阱阻尼振动梁的长度相等皆为L2、宽度相等皆为W2、厚度相等皆为T2，抗震型第一能阱陷波器和抗震型第二能阱陷波器的宽度相等皆为W3、厚度相等皆为T3，则有：

T0=T1=T2=T3，

W0/L0=0.028，

L2=0.32*L0,

W2/L2=0.15~0.19，

W0/W1=2.0~5.0，

W3/W2=1.2~3.0。

进一步地，

所述第一安装通孔和所述第二安装通孔均为矩形，所述第一安装通孔的两短边、所述第二安装通孔的两短边分别关于长度伸缩振动臂的横向中心线呈轴对称关系，且所述第一安装通孔和第二安装通孔关于长度伸缩振动臂的纵向中心线呈轴对称关系；

所述第一石英安装柱包括与所述第一安装通孔配合的第一长方柱以及位于第一长方柱底部的第一梯形减震支座，两者为一体结构，所述第一梯形减震支座的底部具有第一方形凹槽；所述第二石英安装柱包括与所述第二安装通孔配合的第二长方柱以及位于第二长方柱底部的第二梯形减震支座，两者为一体结构，所述第二梯形减震支座的底部具有第二方形凹槽；

所述第一安装通孔、第二安装通孔、第一长方柱、第二长方柱的长边方向和石英外框、长度伸缩振动臂的宽度方向一致，为石英晶体的电轴方向；所述第一安装通孔、第二安装通孔、第一长方柱、第二长方柱的短边方向和石英外框、长度伸缩振动臂的长度方向一致，为石英晶体的机械轴方向；所述第一安装通孔、第二安装通孔、第一长方柱、第二长方柱的深度方向和石英外框、长度伸缩振动臂的厚度方向一致，为石英晶体的光轴方向。

进一步地，

所述热敏谐振器主体采用的是zywt(115°±1°)/(-15°±5°)或zywt(-55°±1°)/(-15°±5°)双转角热敏切型的石英晶体；所述第一石英安装柱和第二石英安装柱与所述热敏谐振器主体的切型匹配，也采用zywt(115°±1°)/(-15°±5°)或zywt(-55°±1°)/(-15°±5°)双转角热敏切型的石英晶体。

进一步地，

所述热敏谐振器主体是利用干法刻蚀技术制备的一体化热敏谐振结构体,

所述长度伸缩振动臂包括位于左部的第一子振动臂和位于右部的第二子振动臂，所述第一子振动臂的前、后侧壁表面分别设有第一左激励电极和第二左激励电极，所述第二子振动臂的前、后侧壁表面分别设有第一右激励电极和第二右激励电极，所述第一左激励电极和第一右激励电极是同极性电位，且两者关于所述长度伸缩振动臂的纵向中心线呈轴对称关系；所述第二左激励电极和第二右激励电极是同极性电位，且两者关于所述长度伸缩振动臂的纵向中心线呈轴对称关系；所述第一左激励电极和第二左激励电极是异性电位，且两者关于所述长度伸缩振动臂的横向中心线呈轴对称关系；所述第一右激励电极和第二右激励电极是异性电位，且两者关于所述长度伸缩振动臂的横向中心线呈轴对称关系；

所述第一桥式振动梁连接电极设置在第一桥式连接振动梁的上表面及两侧壁表面，且与所述第一左激励电极和第一右激励电极相连；所述第二桥式振动梁连接电极设置在第二桥式连接振动梁的上表面及两侧壁表面，且与所述第二左激励电极和第二右激励电极相连；

所述第一外框连接电极为长条形，位于所述石英外框的左半边的上、下表面，所述第一外框连接电极的一端与所述第一桥式振动梁连接电极相连，所述第一外框连接电极的另一端延伸至第一安装通孔的长边的边缘，并且利用激光焊、钎焊或涂覆高温导电胶方法与所述第一石英安装柱电极相连，所述第一石英安装柱电极与所述第一管脚焊接；所述第二外框连接电极为长条形，位于所述石英外框的右半边的上、下表面，所述第二外框连接电极的一端与所述第二桥式振动梁连接电极相连，所述第二外框连接电极的另一端延伸至第二安装通孔的长边的边缘，并且利用激光焊、钎焊或涂覆高温导电胶方法与所述第二石英安装柱电极相连，所述第二石英安装柱电极与所述第二管脚焊接；

所述第一左激励电极、第一右激励电极、第二左激励电极，第二右激励电极、第一桥式振动梁连接电极、第二桥式振动梁连接电极、第一外框连接电极、第二外框连接电极、第一石英安装柱电极、第二石英安装柱电极均由四层金属薄膜电极构成，其中，第一层是强密接附着层，位于石英晶体表面上，由铬镍合金膜构成，其厚度为5~15nm；第二层是应力吸收层，位于强密接附着层上面，由软质金属银或铜构成，其厚度为100~300nm；第三层是扩散阻止层，位于应力吸收层上面，其功能是防止导电与引线键合层内的金属向下面的电极层扩散，它由钽或铪金属构成，其厚度为10~50nm；第四层是导电与引线键合层，位于扩散阻止层之上，由以银金属为主体的银-金-稀土元素钐的合金膜层，其厚度为150~800nm，其中，金的含量（相对原子质量比）是0.5%，稀土元素钐的含量（相对原子质量比）是0.3%，其余是银金属。

采用上述技术方案后，本发明提供的一种卧式长度伸缩模石英温度传感器，与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明公开了一种耐强机械振动冲击的卧式长度伸缩模石英温度传感器的新结构，提出了使用卧式金属封装壳体、位于卧式金属封装壳体内的一体化长度伸缩模石英热敏谐振器的结构方案：采用了长度伸缩振动臂、第一桥式连接振动梁、第二桥式连接振动梁、第一能阱阻尼振动梁、第二能阱阻尼振动梁、抗震型第一能阱陷波器、抗震型第二能阱陷波器、第一支撑框体、第二支撑框体、具有第一梯形减震支座的第一石英安装柱、具有第二梯形减震支座的第二石英安装柱、由石墨烯碳纤维-镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷粉-三氧化钼-低温玻璃粉材料构成的略有弹性之固熔体。

本发明的石墨烯碳纤维-镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷粉-三氧化钼—低温玻璃粉材料构成的略有弹性之固熔体是在国际上首次应用在长度伸缩模石英温度传感器中；双转角热敏切型zywt(115°±1°)/(-15°±5°)和zywt(-55°±1°)/(-15°±5°)石英晶体也是首次应用在长度伸缩模石英温度传感器。它是我们曾在1995年的国际会议上(ICECM-ICSA’95 Proceedings of International Conference on Electronic Components,Sensorsand Actuators,1995)论文以及2003年在英国杂志“Sensor Review”分别公布的采用了本发明的姊妹双转角热敏切型zytw(120°±2°)/ (10°±5°)的继承、发展和在长度伸缩振动模石英温度传感器中的推广应用。

本发明的卧式长度伸缩模石英温度传感器，其工作频率较低(450kHz~1.25MHz)，可以宽温区工作、体积小、抗干扰能力强，温度分辨率高、精度高、准确度佳，响应速度快、功耗低、重复性好，长期稳定性优。它可以应用在卫星、潜水艇、军舰等航天或航海装置中。

附图说明

图1为现有专利CN110044511B记载的直立式长度伸缩模石英温度传感器的结构示意图；

图2为本发明的卧式长度伸缩模石英温度传感器的内部结构剖视图；

图3为本发明的长度伸缩模石英热敏谐振器的主要部件分解示意图；

图4为本发明的热敏谐振器主体的正面结构示意图；

图5为本发明的长度伸缩模石英热敏谐振器中各电极的位置示意图；

图6为本发明的zywt(115°±1°)/(-15°±5°)或zywt(-55°±1°)/(-15°±5°)切型石英晶体的切型方位示意图。

其中，

双工字梁底座201’，支撑框体202’，方形通孔204’，支撑片210’；

卧式金属封装壳体10，管帽11，管座12；

长度伸缩模石英热敏谐振器20，热敏谐振器主体21，第一石英安装柱22A，第二石英安装柱22B；固熔体23；

第一管脚31A，第二管脚31B，第一玻璃粉绝缘子32A，第二玻璃粉绝缘子32B；

长度伸缩振动臂40，第一子振动臂40A，第二子振动臂40B；

石英外框50，第一安装通孔51A，第二安装通孔51B，第一支撑框体52A，第二支撑框体52B，第一能阱阻尼振动梁53A，第二能阱阻尼振动梁53B，抗震型第一能阱陷波器54A，抗震型第二能阱陷波器54B，边缘周期凸起55；

第一桥式连接振动梁60A，第二桥式连接振动梁60B；

第一长方柱71A，第二长方柱71B，第一梯形减震支座72A，第二梯形减震支座72B，第一方形凹槽73A，第二方形凹槽73B；

第一激励电极81，第一左激励电极81A，第一右激励电极81B，第二激励电极82，第二左激励电极82A，第二右激励电极82B，第一桥式振动梁连接电极83A，第二桥式振动梁连接电极83B，第一外框连接电极84A，第二外框连接电极84B，第一石英安装柱电极85A，第二石英安装柱电极85B。

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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图2-5所示，本实施例提供一种卧式长度伸缩模石英温度传感器，该卧式长度伸缩模石英温度传感器包括有卧式金属封装壳体10和设置在卧式金属封装壳体10内的一体化的长度伸缩模石英热敏谐振器20，其中，卧式金属封装壳体10为密封型壳体，其内部为真空，或者充填导热良好的氮气或氦气，在卧式金属封装壳体10上还设有从其内部伸出的第一管脚31A和第二管脚31B；一体化的长度伸缩模石英热敏谐振器20包括有热敏谐振器主体21、第一石英安装柱22A和第二石英安装柱22B，在热敏谐振器主体21的左、右两侧靠近端部位置分别设有用于对应安装第一石英安装柱22A和第二石英安装柱22B的第一安装通孔51A和第二安装通孔51B。

进一步地，热敏谐振器主体21是利用干法刻蚀技术（例如物理性刻蚀或物理-化学性刻蚀法）制备的一体化热敏谐振结构体，包括有长度伸缩振动臂40、石英外框50、第一桥式连接振动梁60A和第二桥式连接振动梁60B，长度伸缩振动臂40为长条形，位于石英外框50内侧且通过第一桥式连接振动梁60A、第二桥式连接振动梁60B与石英外框50连接。

长度伸缩振动臂40的前、后两侧壁上分别设有第一激励电极81和第二激励电极82，第一桥式连接振动梁60A和第二桥式连接振动梁60B的表面上分别设有第一桥式振动梁连接电极83A和第二桥式振动梁连接电极83B，石英外框50的表面上设有第一外框连接电极84A和第二外框连接电极84B，第一石英安装柱22A和第二石英安装柱22B的表面上分别设有第一石英安装柱电极85A和第二石英安装柱电极85B。

第一激励电极81通过第一桥式振动梁连接电极83A、第一外框连接电极84A、第一石英安装柱电极85A与第一管脚31A电性连接；第二激励电极82通过第二桥式振动梁连接电极83B、第二外框连接电极84B、第二石英安装柱电极85B与第二管脚31B电性连接。如此使得第一激励电极81和第二激励电极82分别与卧式金属封装壳体10上的第一管脚31A和第二管脚31B对应电性连接，形成了馈电-激励-连接线路，从而能够与外电路配合进行测温。

显然，和现有技术中的直立式结构相比，本实施例的长度伸缩模石英传感器的重心低，因此其抗机械振动、冲击能力很强。

对于本实施例各电极的具体结构，如图5所示，第一激励电极81包括第一左激励电极81A和第一右激励电极81B，第二激励电极82包括第二左激励电极82A和第二右激励电极82B，具体地，长度伸缩振动臂40包括位于左部的第一子振动臂40A和位于右部的第二子振动臂40B，第一子振动臂40A的前、后侧壁表面分别设有第一左激励电极81A和第二左激励电极82A，第二子振动臂40B的前、后侧壁表面分别设有第一右激励电极81B和第二右激励电极82B，第一左激励电极81A和第一右激励电极81B是同极性电位，且两者关于长度伸缩振动臂40的纵向中心线呈轴对称关系；第二左激励电极82A和第二右激励电极82B是同极性电位，且两者关于长度伸缩振动臂40的纵向中心线呈轴对称关系；第一左激励电极81A和第二左激励电极82A是异性电位，且两者关于长度伸缩振动臂40的横向中心线呈轴对称关系；第一右激励电极81B和第二右激励电极82B是异性电位，且两者关于长度伸缩振动臂40的横向中心线呈轴对称关系；

本实施例的第一桥式振动梁连接电极83A和第二桥式振动梁连接电极83B与常规长度伸缩模石英温度传感器的激励电极、连接电极有很大的不同，本实施例并不是仅设置在各桥式连接振动梁的两个侧壁之表面上，而是采用下述结构：第一桥式振动梁连接电极83A设置在第一桥式连接振动梁60A的上表面及两侧壁表面，且与第一左激励电极81A和第一右激励电极81B相连；第二桥式振动梁连接电极83B设置在第二桥式连接振动梁60B的上表面及两侧壁表面，且与第二左激励电极82A和第二右激励电极82B相连；

第一外框连接电极84A为长条形，位于石英外框50的左半边的上、下表面，第一外框连接电极84A的一端与第一桥式振动梁连接电极83A相连，第一外框连接电极84A的另一端延伸至第一安装通孔51A的长边的边缘，并且利用激光焊、钎焊或涂覆高温导电胶方法与第一石英安装柱电极85A相连，第一石英安装柱电极85A位于第一石英安装柱22A的侧壁上，且与第一管脚31A焊接；第二外框连接电极84B为长条形，位于石英外框50的右半边的上、下表面，第二外框连接电极84B的一端与第二桥式振动梁连接电极83B相连，第二外框连接电极84B的另一端延伸至第二安装通孔51B的长边的边缘，并且利用激光焊、钎焊或涂覆高温导电胶方法与第二石英安装柱电极85B相连，第二石英安装柱电极85B位于第二石英安装柱22B的侧壁上，且与第二管脚31B焊接。

第一左激励电极81A、第一右激励电极81B、第二左激励电极82A，第二右激励电极82B、第一桥式振动梁连接电极83A、第二桥式振动梁连接电极83B、第一外框连接电极84A、第二外框连接电极84B、第一石英安装柱电极85A、第二石英安装柱电极85B均由四层金属薄膜电极构成，利用溅射法制备，所述的四层金属薄膜电极是由与石英晶体密接性强的合金、高熔点金属、软质金属、导电性好的金属材料构成的：第一层是强密接附着层，位于石英晶体表面上，由铬镍合金膜构成，其厚度为5~15nm；第二层是应力吸收层，位于强密接附着层上面，由软质金属银或铜构成，其厚度为100~300nm；第三层是扩散阻止层，位于应力吸收层上面，其功能是防止导电与引线键合层内的金属向下面的电极层扩散，它由钽或铪金属构成，其厚度为10~50nm；第四层是导电与引线键合层，位于扩散阻止层之上，由以银金属为主体的银-金-稀土元素钐的合金膜层，其厚度为150~800nm，其中，金的含量（相对原子质量比）是0.5%，稀土元素钐的含量（相对原子质量比）是0.3%，其余是银金属。

本实施例的热敏谐振器主体21是利用干法刻蚀技术（例如物理性刻蚀法、物理-化学性刻蚀法）制备或修饰其谐振臂侧壁表面，改善其表面的光学冷加工品质（平整度、平行度、表面粗糙度），提升其激励电极的激励效率，降低其等效串联电阻值，增大它的Q值（品质因数），从而提高温度分辨率和准确度。因为传统的长度伸缩振动模热敏谐振器大都是采用湿法刻蚀技术（即各向异性腐蚀工艺）制备的，它与弯曲振动模式、扭曲振动模式等谐振器不同（其激励电极设置在它的主表面），而是设置在谐振臂的侧壁表面，目前湿法刻蚀速度很慢，其晶片厚度大都为0.07mm以下，且侧蚀和残岛缺陷较多，又很难使用经典的光学冷加工技术修饰，使其平整度、平行度、表面粗糙度接近于它的主表面等级，所以传统长度伸缩振动模热敏谐振器电极的激励效率低，动态电阻值大，Q值（品质因数）低，导致传感器的分辨率不高，准确度欠佳。

与常规长度伸缩模石英热敏谐振器的激励电极、连接电极相比，本发明的各连接电极的电阻值以及长度伸缩振动臂40上的各激励电极的电阻值要小很多。其原因如下：

常规的长度伸缩模石英热敏谐振器大都是采用湿法刻蚀技术（即各向异性腐蚀工艺）制备的。因为化学腐蚀液对石英晶体的腐蚀速度很慢，即使腐蚀速度最快的ZYt(0~2°)切型石英晶体，刻蚀时间也要12个小时以上。此外受到石英湿法刻蚀工艺的纵、横向腐蚀速率差异的约束，石英晶片厚度t超过0.10mm时，其侧蚀现象和残岛缺陷比较严重，明显地影响石英谐振器的边缘陡直和表面的性状特性。显然，对于厚度为0.07mm的常规石英谐振器而言，由于设置在长度伸缩振动臂侧壁表面的激励电极面积狭小，为了保证较高的机械强度，长度伸缩振动臂的两相对侧壁的距离又不能太小，况且其表面侧蚀现象和残岛缺陷比较严重，表面平整度和粗糙度欠佳，因此其激励电场强度小，激励效率较低。换言之，常规的长度伸缩模石英热敏谐振器的动态电阻值大，Q值（品质因数）低，导致其传感器分辨率不高，精度欠佳。本发明采用干式刻蚀工艺加工长度伸缩模石英热敏谐振器，不仅可以使用较厚的石英片，例如0.07mm~1.3mm的厚度，而且表面侧蚀现象和残岛缺陷基本可以忽略不计，从而与常规的长度伸缩模石英热敏谐振器相比，当本发明的长度伸缩振动臂具有相同的长度和宽度尺寸时，将大幅度地降低了动态电阻值，提升了Q值。

参照图2所示，本实施例的卧式金属封装壳体10包括管帽11和管座12，管帽11为底部开口的卧式长方体结构，在管座12上密封设置有第一玻璃粉绝缘子32A和第二玻璃粉绝缘子32B，第一管脚31A气密地穿过第一玻璃粉绝缘子32A，第一管脚31A的一端伸入管座12内部，另一端伸出管座12外部，并且在管座12内、外都保留一定长度，以便在内部与长度伸缩模石英热敏谐振器20电性连接（具体是和第一石英安装柱电极85A焊接），以及在外部与外电路电性连接；类似地，第二管脚31B气密地穿过第二玻璃粉绝缘子32B，且第二管脚31B的一端伸入管座12内部，另一端伸出管座12外部，并且在管座12内、外都保留一定长度，以便在内部与长度伸缩模石英热敏谐振器20电性连接（具体是和第二石英安装柱电极85B焊接），以及在外部与外电路电性连接。

管帽11、管座12、第一管脚31A和第二管脚31B均为可伐金属材质，管帽11和管座12可以通过储能焊或激光焊等工艺焊接成一体，形成气密型封装结构。

参照图2-3，本实施例的石英外框50上的第一安装通孔51A与待安装在其孔内的第一石英安装柱22A通过固熔体23紧密连接；第二安装通孔51B与待安装在其孔内的第二石英安装柱22B也通过固熔体23紧密连接。此固熔体23的热膨胀系数与热敏谐振器石英晶体的热膨胀系数匹配，故在工艺流程和测温工作时，由于热膨胀系数不同产生的热应力可以忽略不计。换言之，温度传感器的时漂和温飘很小。

优选地，固熔体23为石墨烯碳纤维-镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷粉-三氧化钼-低温玻璃粉材料，它是一种以低温玻璃粉-镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷为主体的弱弹性固熔体，它使得第一石英安装柱22A与第一安装通孔51A，第二石英安装柱22B与第二安装通孔51B形成为一种弱弹性固定安装的结构。并且，它与位于各安装通孔内的石英晶体的热膨胀系数、声阻抗特性等比较匹配，因此不能产生热应力，也不能形成机械振动反射波。

所述的石墨烯碳纤维-镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷粉-三氧化钼—低温玻璃粉材料，与市场上的低温玻璃粉化学组分完全不同，特性也差别很大：不仅软化点低，为360~420℃，而且它的热膨胀系数为10~13*10^-6/℃，显然其热膨胀系数与本实施例的各石英晶体热膨胀系数（12~14*10^-6/℃）极其匹配。更吸引人的，与市场上的低温玻璃粉固熔体不同，没有常规低温玻璃粉固熔体的那种硬脆感，具有弱弹性，因此可以缓冲多种应力，避免产生应力集中现象，进一步提升了传感器的抗机械振动、冲击的能力。

本发明的石墨烯碳纤维-镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷粉-三氧化钼—低温玻璃粉材料的化学组成，相对常规低温玻璃粉而言，其材料组分的配比（按质量比计）如下：

低温玻璃粉：镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷粉：三氧化钼：石墨烯碳纤维=（43~48.5%）：（50~56%）：（0.4~6%）：（0.1~0.8%）；

其中，低温玻璃粉的组成配方（按质量比计）如下：

二氧化硅：氧化铝：氧化钡：三氧化二硼：氧化锌：氧化钾=（55~75%）：（3~13%）：（6~28%）：（1~6%）：（2~16%）：（6~32%）。

与常规低温玻璃固熔体不同，本发明低温玻璃固熔体的组分中使用镁橄榄石（2MgO·SiO2）/富铝红柱石(3Al2O3·2SiO2)陶瓷的目的是提升其热膨胀系数，因为目前还没有适宜本发明切型石英晶体用的具有高热膨胀系数（10~14*10^-6/℃）的低温玻璃固熔体材料。添加石墨烯碳纤维是提升固熔体的柔性，降低它的脆性，提高其热应力吸收能力，改善其声阻抗，使石英外框50与各石英安装柱的热膨胀系数、声阻抗匹配。添加氧化锌、氧化钾、三氧化二硼以便调节软化温度点和固熔体的耐磨性；添加氧化钡、氧化铝是为了调节材料的介电性和机械强度。

所述的石墨烯碳纤维-镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷粉-三氧化钼—低温玻璃粉材料，其工艺制备和使用方法与常规的低温玻璃粉的烧结工艺基本相同，可以利用常规的低温玻璃粉烧结工艺制备和应用。该材料对一体化的长度伸缩模石英热敏谐振器20的三个组件之结合力强、附着力大，从而能够显著地提升所述一体化的长度伸缩模石英热敏谐振器20的机械强度。此外，在宽温区工作时以及工作后，不仅产生的热应力小，热迟滞特性优，而且长度伸缩模振动能量泄露降低，改善能阱效果。

对于石英外框50的结构，如图4所示，石英外框50包括有第一支撑框体52A、第二支撑框体52B、第一能阱阻尼振动梁53A、第二能阱阻尼振动梁53B、抗震型第一能阱陷波器54A、抗震型第二能阱陷波器54B；

第一支撑框体52A和第二支撑框体52B分别位于石英外框50的左、右两侧呈对称设置，第一支撑框体52A和第二支撑框体52B上分别设置第一安装通孔51A和第二安装通孔51B；

长度伸缩振动臂40为长条形，长条形长度伸缩振动臂40的上、下两边缘关于所述长度伸缩振动臂40的横向中心线呈轴对称关系，长条形长度伸缩振动臂40的左、右两边缘关于所述长度伸缩振动臂40的纵向中心线呈轴对称关系；且其长度方向与石英晶体的机械轴（Y’’轴）方向一致，宽度方向与石英晶体的电轴（X’轴）方向一致；第一能阱阻尼振动梁53A的中部（正中间长度之半位置，下同）通过第一桥式连接振动梁60A正交连接长度伸缩振动臂40的其中一条长边的中部，第二能阱阻尼振动梁53B的中部通过第二桥式连接振动梁60B正交连接长度伸缩振动臂40的另外一条长边的中部，且第一能阱阻尼振动梁53A和第二能阱阻尼振动梁53B关于长度伸缩振动臂40的横向中心线呈轴对称关系，第一桥式连接振动梁60A和第二桥式连接振动梁60B关于长度伸缩振动臂40的横向中心线呈轴对称关系；

抗震型第一能阱陷波器54A对称设置在第一能阱阻尼振动梁53A的左、右两侧，左侧的抗震型第一能阱陷波器54A连接第一支撑框体52A和第一能阱阻尼振动梁53A，右侧的抗震型第一能阱陷波器54A连接第一能阱阻尼振动梁53A和第二支撑框体52B；抗震型第二能阱陷波器54B对称设置在第二能阱阻尼振动梁53B的左、右两侧，左侧的抗震型第二能阱陷波器54B连接第一支撑框体52A和第二能阱阻尼振动梁53B，右侧的抗震型第二能阱陷波器54B连接第二能阱阻尼振动梁53B和第二支撑框体52B。抗震型第一能阱陷波器54A和抗震型第二能阱陷波器54B关于长度伸缩振动臂40的横向中心线呈轴对称关系；抗震型第一能阱陷波器54A和抗震型第二能阱陷波器54B分别在其内外边缘（即图4中的上下方向）形成有正弦状、余弦状或者方波状的边缘周期凸起55，边缘周期凸起55可以是连续的，也可以是断续的。正弦状、余弦状或者方波状的边缘周期凸起55的峰值高度H=(0.25~1)λ*N，其中，λ是在参考温度条件（或称为标准温度，如25℃）下长度伸缩模石英热敏谐振器20的谐振波长，N为正整数。抗震型第一能阱陷波器54A和抗震型第二能阱陷波器54B不仅可以起到滤波和防止干扰作用，而且能够抑制谐振能量的漏泄以及提高能阱陷波效果，更重要的还能够提升抗机械振动、冲击的能力，起到一物多用的功效。

这样，本实施例的卧式长度伸缩模石英温度传感器形成有以长度伸缩振动臂40为中心的热敏信号产生区，由第一桥式连接振动梁60A、第二桥式连接振动梁60B、第一能阱阻尼振动梁53A、第二能阱阻尼振动梁53B、抗震型第一能阱陷波器54A和抗震型第二能阱陷波器54B构成的支承区，由第一支撑框体52A、第一石英安装柱22A及其周边的固熔体23、第二支撑框体52B、第二石英安装柱22B及其周边的固熔体23构成的安装固定区。

长度伸缩振动臂40不受边界条件限制能够自由振动的状态是由长度伸缩振动臂40的形状、物理尺寸和第一桥式连接振动梁60A、第二桥式连接振动梁60B、石英外框50的形状、物理尺寸决定的。

设长度伸缩振动臂40的长度为L0、宽度为W0、厚度为T0，第一桥式连接振动梁60A和第二桥式连接振动梁60B的长度相等皆为L1、宽度相等皆为W1、厚度相等皆为T1，第一能阱阻尼振动梁53A和第二能阱阻尼振动梁53B的长度相等皆为L2、宽度相等皆为W2、厚度相等皆为T2，抗震型第一能阱陷波器54A和抗震型第二能阱陷波器54B的宽度相等皆为W3、厚度相等皆为T3，则有：

T0=T1=T2=T3， （b）

W0/L0=0.028， （c）

L2=0.32*L0， （d）

W2/L2=0.15~0.19， （e）

W0/W1=2.0~5.0， （f）

W3/W2=1.2~3.0， （g）

满足式（b）~（g）的条件，就能够获得比较满意的结果。

参照图3-4所示，本实施例中，第一安装通孔51A和第二安装通孔51B均为矩形，第一安装通孔51A的两短边、第二安装通孔51B的两短边分别关于长度伸缩振动臂40的横向中心线呈轴对称关系，且第一安装通孔51A和第二安装通孔51B关于长度伸缩振动臂40的纵向中心线呈轴对称关系。

第一石英安装柱22A包括与第一安装通孔51A配合的、横断面为矩形的第一长方柱71A以及位于第一长方柱71A底部的第一梯形减震支座72A，两者为一体结构，第一梯形减震支座72A的底部具有第一方形凹槽73A，第一梯形减震支座72A的底部与管座12的内底面接触，第一方形凹槽73A可以减少第一梯形减震支座72A与管座12的接触面积，从而减少通过管座12传入石英外框50进而再导入长度伸缩振动臂40的外界环境机械冲击和振动（；第二石英安装柱22B包括与第二安装通孔51B配合的、横断面为矩形的第二长方柱71B以及位于第二长方柱71B底部的第二梯形减震支座72B，两者为一体结构，第二梯形减震支座72B的底部具有第二方形凹槽73B，第二方形凹槽73B的作用和上述第一方形凹槽73A的作用相同。

第一能阱阻尼振动梁53A、第二能阱阻尼振动梁53B、抗震型第一能阱陷波器54A、抗震型第二能阱陷波器54B、第一支撑框体52A、第二支撑框体52B、第一石英安装柱22A、第二石英安装柱22B、固溶体23的有机配合，能够显著地降低长度伸缩振动模能量的漏泄，起到能阱作用，从而不仅提升了一体化长度伸缩模石英热敏谐振器20的Q值（品质因数），而且降低了来自外界的振动、冲击的干扰。需要指出的是，第一石英安装柱22A、第二石英安装柱22B利用具有弱弹性固定性能的低温玻璃固熔体23与石英晶体在热膨胀系数、声阻抗特性等方面的优良配合，不仅改变了安装边界条件，实现了长度伸缩模石英热敏谐振器20的双端固支安装结构，同时也提供了强大的质量负载匹配，获得了理想的振动阻尼，显著地提高了Q值，大幅度地提升了抗强机械振动、冲击能力，获得了高稳定、高可靠特性。

如图4所示，第一安装通孔51A、第二安装通孔51B、第一长方柱71A、第二长方柱71B的长边方向和石英外框50、长度伸缩振动臂40的宽度方向一致（平行），为石英晶体的电轴（即X’轴）方向；第一安装通孔51A、第二安装通孔51B、第一长方柱71A、第二长方柱71B的短边方向和石英外框50、长度伸缩振动臂40的长度方向一致（平行），为石英晶体的机械轴（即Y’’轴）方向；第一安装通孔51A、第二安装通孔51B、第一长方柱71A、第二长方柱71B的深度方向和石英外框50、长度伸缩振动臂40的厚度方向一致（平行），为石英晶体的光轴（即Z’轴）方向。

如图6所示，本实施例的热敏谐振器主体21所包括的长度伸缩振动臂40、石英外框50、第一桥式连接振动梁60A、第二桥式连接振动梁60B位于同一石英晶体上，即为一体化结构，优选地，采用的是zywt(115°±1°)/(-15°±5°)或zywt(-55°±1°)/(-15°±5°)双转角热敏切型的石英晶体；第一石英安装柱22A和第二石英安装柱22B与热敏谐振器主体21的切型匹配，也采用zywt(115°±1°)/(-15°±5°)或zywt(-55°±1°)/(-15°±5°)双转角热敏切型的石英晶体。

双转角热敏切型zywt(115°±1°)/(-15°±5°)和zywt(-55°±1°)/(-15°±5°)石英晶体是本申请发明人在国际首次提出和使用的一种适宜长度伸缩振动模式石英温度传感器使用的新的热敏石英切型，具有创新性和实用性。第一次公开的双转角热敏切型是zytw(120°±2°)/(10°±5°)石英晶体，并应用于弯曲振动模的石英音叉温度传感器，是在1995年的国际会议ICECM-ICSA’95 Proceedings of International Conference onElectronic Components,Sensors and Actuators,1995上发表，论文的作者和题目是“LinJiang,Fan Ja-ling,Zhang bin-hua et al：Low–cost high-performance quartztuning-fork temperature sensor”[C]。第二次又公布了用于弯曲振动模的石英音叉温度传感器中的同族双转角热敏切型zytw115°/15°石英晶体，其论文2003年发表在英国杂志“Sensor Review”上，论文的作者和题目是“He Jin,Chen Zhaoyang,Lin Jiang et al:Anew Low-cost high-performance quartz tuning-fork temperature sensor” [J]Sensor Review,2003,VOL.23 No.2,134~142。在2004年美国的Clubb等人又把该热敏切型zytw115°/15°应用在液态氦的粘度检测的石英温度传感器中，请参见Clubb D O，Buu O VL，Bowley R M,et al．Quartz tuningfork viscometers for helium liquids［J］．Journal of Low Tem-perature Physics,2004,136(1/2):1-10。

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热敏石英晶片切型书写如下：

双转角热敏切型zywt(115°±1°)/(-15°±5°)和zywt(-55°±1°)/(-15°±5°)。

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、w）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）、w（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。

zywt(115°±1°)/(-15°±5°)切型代表的热敏石英切型晶片原始位置的厚度沿Z轴（石英晶体的光轴方向），而其长度沿Y轴（石英晶体的机械轴方向），换言之，其原始位置是一种Z切族石英晶片：其石英晶片原始位置厚度的法线方向是光轴方向，原始位置石英晶片的长度方向是机械轴方向。该切型把原始位置石英晶片首先绕宽度（X轴）逆时针旋转（114°~116°）区间之中的任意一个角度,然后再绕厚度（Z轴）顺时针旋转（10°~20°）区间之中的任意一个角度切割而成。

zywt(-55°±1°)/(-15°±5°)的含义是：其原始位置是一种Z切族石英晶片：其石英晶片原始位置厚度的法线方向是光轴方向，原始位置石英晶片的长度方向是机械轴方向；该切型把原始位置石英晶片首先绕宽度（X轴）顺时针旋转（54°~56°）区间之中的任意一个角度，然后再绕厚度（Z轴）顺时针旋转（10°~20°）区间之中的任意一个角度切割而成。

该热敏石英切型的优点是温度灵敏度高，它的一阶温度系数为70*10^-6/℃~85*10^-6/℃。此外，该切型的寄生振动模式较少，对工艺要求也不苛刻。

本发明的工作机制如下：

本发明的卧式长度伸缩模石英温度传感器包括有：以长度伸缩振动臂40为中心的热敏信号产生区，由第一桥式连接振动梁60A、第二桥式连接振动梁60B、第一能阱阻尼振动梁53A、第二能阱阻尼振动梁53B、抗震型第一能阱陷波器54A和抗震型第二能阱陷波器54B组成的支承区，由第一支撑框体52A、第一石英安装柱22A及其周边固熔体23、第二支撑框体52B、第二石英安装柱22B及其周边固熔体23形成的安装固定区。

设长度伸缩振动臂40的长度为L0、宽度为W0、厚度为T0，则长度伸缩振动的谐振频率FL可以用下式表示：

FL=（2n-1）（E/P）^+1/2/（4L0） （a）

式（a）中，E是石英晶体材料的杨氏模量，P是石英晶体材料的密度，n是正整数。

当施加适宜电压，长度伸缩振动臂40在电场的作用下发生沿着石英晶体机械轴（Y”轴）方向的长度拉伸位移时，长度伸缩振动臂40通过第一桥式连接振动梁60A和第二桥式连接振动梁60B的中介传递作用，使得第一能阱阻尼振动梁53A和第二能阱阻尼振动梁53B在垂直于长度伸缩振动臂40且朝着石英外框50内部的方向（石英晶体电轴——X’轴方向）产生弯曲位移；反之，当长度伸缩振动臂40发生长度收缩位移时，则长度伸缩振动臂40通过第一桥式连接振动梁60A、第二桥式连接振动梁60B的中介传递作用，使得第一能阱阻尼振动梁53A和第二能阱阻尼振动梁53B在垂直于长度伸缩振动臂40且朝着石英外框50外部的方向（石英晶体电轴——X’轴方向）产生弯曲位移。显然，本发明可以通过第一桥式连接振动梁60A、第二桥式连接振动梁60B把长度伸缩振动臂40在其宽度方向的位移量（即与长度伸缩振动臂40垂直的方向的位移量）转换为第一能阱阻尼振动梁53A和第二能阱阻尼振动梁53B的弯曲振动模式，可是由于第一支撑框体52A和第二支撑框体52B、第一能阱阻尼振动梁53A和第二能阱阻尼振动梁53B等的结构、形状、尺寸和表面物理状态的不同，它们不仅将影响其特性阻抗匹配，产生机械振动反射，发生模式转换，发生其它模式与主振动模式的耦合形成寄生模式，对长度伸缩振动臂40产生有害的副作用，而且将影响长度伸缩振动主模式振动的自由度。为了不对长度伸缩振动臂40产生有害的副作用，也不影响它的长度伸缩振动之自由度，要求必须满足下述条件：

1）长度伸缩振动臂40区域具备的长度伸缩应变能量必须大于由第一桥式连接振动梁60A、第二桥式连接振动梁60B、第一能阱阻尼振动梁53A、第二能阱阻尼振动梁53B、抗震型第一能阱陷波器54A和抗震型第二能阱陷波器54B组成的支承区（或称作弯曲应变区域）所具有的能量。其次，必须满足第一桥式连接振动梁60A、第二桥式连接振动梁60B在石英晶体电轴（X’轴方向）的振动不受约束，即为自由振动状态。

2）在由第一桥式连接振动梁60A、第二桥式连接振动梁60B、第一能阱阻尼振动梁53A、第二能阱阻尼振动梁53B、抗震型第一能阱陷波器54A和抗震型第二能阱陷波器54B组成的支承区（或称作弯曲应变区域）内的能量损耗最小。其关键是第一桥式连接振动梁60A、第二桥式连接振动梁60B、第一能阱阻尼振动梁53A、第二能阱阻尼振动梁53B、抗震型第一能阱陷波器54A和抗震型第二能阱陷波器54B应一体化，它们的热膨胀系数和声阻抗必须匹配。

3）与支承区（或称作弯曲应变区域）相连接的安装固定区的质量应为无限大，以便防止支承区能量的漏泄，因此其连接处的热膨胀系数和声阻抗必须匹配。所述的安装固定区是由第一支撑框体52A、第一石英安装柱22A及其周边固熔体23、第二支撑框体52B、第二石英安装柱22B及其周边固熔体23构成的。

因此，如果设长度伸缩振动臂40的长度为L0、宽度为W0、厚度为T0，第一桥式连接振动梁60A和第二桥式连接振动梁60B的长度相等皆为L1、宽度相等皆为W1（图4中左右方向的长度值）、厚度相等皆为T1，第一能阱阻尼振动梁53A和第二能阱阻尼振动梁53B的长度相等皆为L2、宽度相等皆为W2（不包括边缘周期凸起55）、厚度相等皆为T2，抗震型第一能阱陷波器54A和抗震型第二能阱陷波器54B的宽度相等皆为W3、厚度相等皆为T3，则有：

T0=T1=T2=T3， （b）

W0/L0=0.028， （c）

L2=0.32*L0, （d）

W2/L2=0.15~0.19， （e）

W0/W1=2.0~5.0， （f）

W3/W2=1.2~3.0, （g）

满足式（b）~（g）的条件，就能够获得比较满意的结果。

换言之，其关键是如何把来自长度伸缩振动臂40区域并且传播到支承区的长度伸缩振动能量变换为弯曲振动的热敏信号产生区和支承区的结构和形状的设计和制备，其次是怎么使其安装固定区的质量成为无限大，从而无内部能量泄漏，也不允许外界的机械振动、冲击、各种干扰信号传入。本发明设计出一种最优化形状的支承区结构，其重点是确定W2/L2的最佳值以及使W3/W2≥1.2，以便使得支承区的能量泄漏最少，并且不影响长度伸缩振动臂40振动的自由度，也不限制支承区弯曲振动的自由度，从而使其热敏谐振器的动态电阻值小，Q值高，分辨率和稳定性优异。

本发明以长度伸缩振动臂40作为热敏信号产生区，利用由第一桥式连接振动梁60A、第二桥式连接振动梁60B、第一能阱阻尼振动梁53A、第二能阱阻尼振动梁53B、抗震型第一能阱陷波器54A和抗震型第二能阱陷波器54B组成的支承区，由第一支撑框体52A、第一石英安装柱22A及其周边固熔体23、第二支撑框体52B、第二石英安装柱22B及其周边固熔体23形成的安装固定区，以及馈电-激励-连接线路四者的优化配合解决了长度伸缩振动臂40的激励、支撑和安装的问题，从而为热敏长度伸缩振动谐振器的制备和生产铺平了道路。否则，虽然根据弹性物理学和压电物理学推导和实验表明，存在制作长度伸缩振动模式热敏谐振器的可能性，可是只有解决其周边的支撑结构（即适宜的物理边界条件）问题，才能够使长度伸缩振动模式热敏谐振器和传感器的制造问题迎刃而解。

简言之，其支撑结构、封装结构是以不影响长度伸缩振动主模式的正常工作和支承区弯曲振动的自由度为先决条件，即W0/L0、W2/L2和W3/W2的最优化问题是本发明长度伸缩振动模式热敏谐振器设计、制备的基础和关键。显然，本发明的技术路线就是解决长度伸缩振动模式热敏谐振器的制作、长度伸缩振动模式的纯模激励、无扰稳定支撑结构、稳定的气密封装以及热敏信号的产生和输出等问题。

实验表明，本发明的耐强机械振动冲击的卧式长度伸缩模石英温度传感器能够承受10000g加速度的机械冲击以及10g/10~2000Hz、8小时的机械扫描振动试验，其工作频率为450kHz~1.25MHz，一阶频率-温度系数为70*10^-6/℃~85*10^-6/℃，解决了本发明背景技术中指出的主要问题。本发明的石墨烯碳纤维-镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷粉-三氧化钼—低温玻璃粉材料是一种以低温玻璃粉-镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷为主体的略有柔性之固熔体，颇具有新颖性和实用性，也可推广到其它模式的石英传感器。

由上述内容可知，本实施例提供的一种卧式长度伸缩模石英温度传感器，其工作频率不太高(450kHz~1.25MHz)，可以宽温区工作、体积小、抗干扰能力强，温度分辨率高、精度高、准确度佳，响应速度快、功耗低、重复性好、长期稳定性优。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种卧式长度伸缩模石英温度传感器，其特征在于，包括卧式金属封装壳体（10）和长度伸缩模石英热敏谐振器（20），其中，

所述卧式金属封装壳体（10）内设置所述长度伸缩模石英热敏谐振器（20），所述卧式金属封装壳体（10）上还设有从其内部伸出的第一管脚（31A）和第二管脚（31B）；

所述长度伸缩模石英热敏谐振器（20）包括有热敏谐振器主体（21）、第一石英安装柱（22A）和第二石英安装柱（22B），所述热敏谐振器主体（21）的左、右两侧分别设有对应安装所述第一石英安装柱（22A）和第二石英安装柱（22B）的第一安装通孔（51A）和第二安装通孔（51B）；所述热敏谐振器主体（21）包括有长度伸缩振动臂（40）、石英外框（50）、第一桥式连接振动梁（60A）和第二桥式连接振动梁（60B），所述长度伸缩振动臂（40）位于所述石英外框（50）内侧且通过所述第一桥式连接振动梁（60A）、第二桥式连接振动梁（60B）与所述石英外框（50）连接；

所述长度伸缩振动臂（40）的前、后两侧壁上分别设有第一激励电极（81）和第二激励电极（82），所述第一桥式连接振动梁（60A）和第二桥式连接振动梁（60B）的表面上分别设有第一桥式振动梁连接电极（83A）和第二桥式振动梁连接电极（83B），所述石英外框（50）的表面上设有第一外框连接电极（84A）和第二外框连接电极（84B），所述第一石英安装柱（22A）和第二石英安装柱（22B）的表面上分别设有第一石英安装柱电极（85A）和第二石英安装柱电极（85B）；所述第一激励电极（81）通过所述第一桥式振动梁连接电极（83A）、第一外框连接电极（84A）、第一石英安装柱电极（85A）与所述第一管脚（31A）电性连接；所述第二激励电极（82）通过所述第二桥式振动梁连接电极（83B）、第二外框连接电极（84B）、第二石英安装柱电极（85B）与所述第二管脚（31B）电性连接。

2.根据权利要求1所述的卧式长度伸缩模石英温度传感器，其特征在于，所述卧式金属封装壳体（10）包括管帽（11）和管座（12），所述管座（12）上密封设置有第一玻璃粉绝缘子（32A）和第二玻璃粉绝缘子（32B），所述第一管脚（31A）气密地穿过所述第一玻璃粉绝缘子（32A），所述第二管脚（31B）气密地穿过所述第二玻璃粉绝缘子（32B），所述管帽（11）、管座（12）、第一管脚（31A）和第二管脚（31B）均为可伐金属材质，所述管帽（11）和管座（12）通过储能焊或激光焊焊接成一体，形成气密型封装结构；所述卧式金属封装壳体（10）内部为真空，或者充填氮气或氦气。

3.根据权利要求2所述的卧式长度伸缩模石英温度传感器，其特征在于，所述第一安装通孔（51A）与所述第一石英安装柱（22A）通过固熔体（23）紧密连接；所述第二安装通孔（51B）与所述第二石英安装柱（22B）也通过固熔体（23）紧密连接。

4.根据权利要求3所述的卧式长度伸缩模石英温度传感器，其特征在于，所述固熔体（23）为石墨烯碳纤维-镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷粉-三氧化钼-低温玻璃粉材料，其材料组分的配比（质量比）为：

低温玻璃粉：镁橄榄石陶瓷/富铝红柱石陶瓷粉：三氧化钼：石墨烯碳纤维=（43~48.5%）：（50~56%）：（0.4~6%）：（0.1~0.8%）；

其中，所述低温玻璃粉的组成配方（质量比）为：

二氧化硅：氧化铝：氧化钡：三氧化二硼：氧化锌：氧化钾=（55~75%）：（3~13%）：（6~28%）：（1~6%）：（2~16%）：（6~32%）。

5.根据权利要求4所述的卧式长度伸缩模石英温度传感器，其特征在于，所述石英外框（50）包括有第一支撑框体（52A）、第二支撑框体（52B）、第一能阱阻尼振动梁（53A）、第二能阱阻尼振动梁（53B）、抗震型第一能阱陷波器（54A）、抗震型第二能阱陷波器（54B）；

所述第一支撑框体（52A）和第二支撑框体（52B）分别位于所述石英外框（50）的左、右两侧呈对称设置，所述第一支撑框体（52A）和第二支撑框体（52B）上分别设置所述第一安装通孔（51A）和第二安装通孔（51B）；

所述长度伸缩振动臂（40）为长条形，所述第一能阱阻尼振动梁（53A）的中部通过所述第一桥式连接振动梁（60A）正交连接所述长度伸缩振动臂（40）的其中一条长边的中部，所述第二能阱阻尼振动梁（53B）的中部通过所述第二桥式连接振动梁（60B）正交连接所述长度伸缩振动臂（40）的另外一条长边的中部，且所述第一能阱阻尼振动梁（53A）和第二能阱阻尼振动梁（53B）关于所述长度伸缩振动臂（40）的横向中心线呈轴对称关系，所述第一桥式连接振动梁（60A）和第二桥式连接振动梁（60B）关于所述长度伸缩振动臂（40）的横向中心线呈轴对称关系；

抗震型第一能阱陷波器（54A）对称设置在第一能阱阻尼振动梁（53A）的左、右两侧且与所述第一支撑框体（52A）和第二支撑框体（52B）连接，抗震型第二能阱陷波器（54B）对称设置在第二能阱阻尼振动梁（53B）的左、右两侧且与所述第一支撑框体（52A）和第二支撑框体（52B）连接，所述抗震型第一能阱陷波器（54A）和抗震型第二能阱陷波器（54B）关于所述长度伸缩振动臂（40）的横向中心线呈轴对称关系；所述抗震型第一能阱陷波器（54A）和抗震型第二能阱陷波器（54B）分别在其内外边缘形成有正弦状、余弦状或者方波状的边缘周期凸起（55），所述边缘周期凸起（55）可以是连续的，也可以是断续的；

由所述长度伸缩振动臂（40）构成热敏信号产生区，由所述第一桥式连接振动梁（60A）、第二桥式连接振动梁（60B）、第一能阱阻尼振动梁（53A）、第二能阱阻尼振动梁（53B）、抗震型第一能阱陷波器（54A）和抗震型第二能阱陷波器（54B）构成支承区，由所述第一支撑框体（52A）、第一石英安装柱（22A）及其周边的固熔体（23）、第二支撑框体（52B）、第二石英安装柱（22B）及其周边的固熔体（23）构成安装固定区。

6.根据权利要求5所述的卧式长度伸缩模石英温度传感器，其特征在于，所述正弦状、余弦状或者方波状的边缘周期凸起（55）的峰值高度H=(0.25~1)λ*N，其中，λ是在参考温度条件下长度伸缩模石英热敏谐振器（20）的谐振波长，N为正整数。

7.根据权利要求6所述的卧式长度伸缩模石英温度传感器，其特征在于，设所述长度伸缩振动臂（40）的长度为L0、宽度为W0、厚度为T0，所述第一桥式连接振动梁（60A）和第二桥式连接振动梁（60B）的宽度相等皆为W1、厚度相等皆为T1，所述第一能阱阻尼振动梁（53A）和第二能阱阻尼振动梁（53B）的长度相等皆为L2、宽度相等皆为W2、厚度相等皆为T2，抗震型第一能阱陷波器（54A）和抗震型第二能阱陷波器（54B）的宽度相等皆为W3、厚度相等皆为T3，则有：

T0=T1=T2=T3，

W0/L0=0.028，

L2=0.32*L0,

W2/L2=0.15~0.19，

W0/W1=2.0~5.0，

W3/W2=1.2~3.0。

8.根据权利要求7所述的卧式长度伸缩模石英温度传感器，其特征在于，所述第一安装通孔（51A）和所述第二安装通孔（51B）均为矩形，所述第一安装通孔（51A）的两短边、所述第二安装通孔（51B）的两短边分别关于长度伸缩振动臂（40）的横向中心线呈轴对称关系，且所述第一安装通孔（51A）和第二安装通孔（51B）关于长度伸缩振动臂（40）的纵向中心线呈轴对称关系；

所述第一石英安装柱（22A）包括与所述第一安装通孔（51A）配合的第一长方柱（71A）以及位于第一长方柱（71A）底部的第一梯形减震支座（72A），两者为一体结构，所述第一梯形减震支座（72A）的底部具有第一方形凹槽（73A）；所述第二石英安装柱（22B）包括与所述第二安装通孔（51B）配合的第二长方柱（71B）以及位于第二长方柱（71B）底部的第二梯形减震支座（72B），两者为一体结构，所述第二梯形减震支座（72B）的底部具有第二方形凹槽（73B）；

所述第一安装通孔（51A）、第二安装通孔（51B）、第一长方柱（71A）、第二长方柱（71B）的长边方向和石英外框（50）、长度伸缩振动臂（40）的宽度方向一致，为石英晶体的电轴方向；所述第一安装通孔（51A）、第二安装通孔（51B）、第一长方柱（71A）、第二长方柱（71B）的短边方向和石英外框（50）、长度伸缩振动臂（40）的长度方向一致，为石英晶体的机械轴方向；所述第一安装通孔（51A）、第二安装通孔（51B）、第一长方柱（71A）、第二长方柱（71B）的深度方向和石英外框（50）、长度伸缩振动臂（40）的厚度方向一致，为石英晶体的光轴方向。

9.根据权利要求8所述的卧式长度伸缩模石英温度传感器，其特征在于，所述热敏谐振器主体（21）采用的是zywt(115°±1°)/(-15°±5°)或zywt(-55°±1°)/(-15°±5°)双转角热敏切型的石英晶体；所述第一石英安装柱（22A）和第二石英安装柱（22B）与所述热敏谐振器主体（21）的切型匹配，也采用zywt(115°±1°)/(-15°±5°)或zywt(-55°±1°)/(-15°±5°)双转角热敏切型的石英晶体。

10.根据权利要求9所述的卧式长度伸缩模石英温度传感器，其特征在于，所述热敏谐振器主体（21）是利用干法刻蚀技术制备的一体化热敏谐振结构体，

所述长度伸缩振动臂（40）包括位于左部的第一子振动臂（40A）和位于右部的第二子振动臂（40B），所述第一子振动臂（40A）的前、后侧壁表面分别设有第一左激励电极（81A）和第二左激励电极（82A），所述第二子振动臂（40B）的前、后侧壁表面分别设有第一右激励电极（81B）和第二右激励电极（82B），所述第一左激励电极（81A）和第一右激励电极（81B）是同极性电位，且两者关于所述长度伸缩振动臂（40）的纵向中心线呈轴对称关系；所述第二左激励电极（82A）和第二右激励电极（82B）是同极性电位，且两者关于所述长度伸缩振动臂（40）的纵向中心线呈轴对称关系；所述第一左激励电极（81A）和第二左激励电极（82A）是异性电位，且两者关于所述长度伸缩振动臂（40）的横向中心线呈轴对称关系；所述第一右激励电极（81B）和第二右激励电极（82B）是异性电位，且两者关于所述长度伸缩振动臂（40）的横向中心线呈轴对称关系；

所述第一桥式振动梁连接电极（83A）设置在第一桥式连接振动梁（60A）的上表面及两侧壁表面，且与所述第一左激励电极（81A）和第一右激励电极（81B）相连；所述第二桥式振动梁连接电极（83B）设置在第二桥式连接振动梁（60B）的上表面及两侧壁表面，且与所述第二左激励电极（82A）和第二右激励电极（82B）相连；

所述第一外框连接电极（84A）为长条形，位于所述石英外框（50）的左半边的上表面，所述第一外框连接电极（84A）的一端与所述第一桥式振动梁连接电极（83A）相连，所述第一外框连接电极（84A）的另一端延伸至第一安装通孔（51A）的长边的边缘，并且利用激光焊、钎焊或涂覆高温导电胶方法与所述第一石英安装柱电极（85A）相连，所述第一石英安装柱电极（85A）与所述第一管脚（31A）焊接；所述第二外框连接电极（84B）为长条形，位于所述石英外框（50）的右半边的上表面，所述第二外框连接电极（84B）的一端与所述第二桥式振动梁连接电极（83B）相连，所述第二外框连接电极（84B）的另一端延伸至第二安装通孔（51B）的长边的边缘，并且利用激光焊、钎焊或涂覆高温导电胶方法与所述第二石英安装柱电极（85B）相连，所述第二石英安装柱电极（85B）与所述第二管脚（31B）焊接；

所述第一左激励电极（81A）、第一右激励电极（81B）、第二左激励电极（82A），第二右激励电极（82B）、第一桥式振动梁连接电极（83A）、第二桥式振动梁连接电极（83B）、第一外框连接电极（84A）、第二外框连接电极（84B）、第一石英安装柱电极（85A）、第二石英安装柱电极（85B）均由四层金属薄膜电极构成，其中，第一层是强密接附着层，位于石英晶体表面上，由铬镍合金膜构成，其厚度为5~15nm；第二层是应力吸收层，位于强密接附着层上面，由软质金属银或铜构成，其厚度为100~300nm；第三层是扩散阻止层，位于应力吸收层上面，其功能是防止导电与引线键合层内的金属向下面的电极层扩散，它由钽或铪金属构成，其厚度为10~50nm；第四层是导电与引线键合层，位于扩散阻止层之上，由以银金属为主体的银-金-稀土元素钐的合金膜层，其厚度为150~800nm，其中，金的含量（相对原子质量比）是0.5%，稀土元素钐的含量（相对原子质量比）是0.3%，其余是银金属。

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