CN116046220A - 基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，包括压力转换元件、盖帽和石英双端音叉，压力转换元件包括承载件、第一支撑板和第二支撑板，承载件包括连接部和基台，连接部内设有压力通道，基台设于连接部的一端并可接收到从连接部的另一端经压力通道传导的压力，第一支撑板设于基台上，第二支撑板设于连接部的一端并设有容纳第一支撑板的通孔，第一支撑板与第二支撑板之间设有间隔，石英双端音叉跨越间隔并且两端分别固定在第一支撑板和第二支撑板上，石英双端音叉的中轴线与压力转换元件的中轴线重合，盖帽与连接部密封连接并形成上腔室，第一支撑板、第二支撑板、基台和石英双端音叉设于上腔室内，结构简单并且精度较好。
Description
技术领域
本发明涉及微机械电子(MEMS)数字式压力传感器技术领域，尤其涉及一种基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器。
背景技术
谐振式压力传感器是利用谐振元件把被测压力转换成频率信号的压力传感器。谐振式压力传感器具有体积小、重量轻、结构紧凑、分辨率高、精度高、便于数据传输等优点，因此受到广泛的关注。
在谐振式压力传感器领域，压力传感器除了核心的谐振元件外最主要的就是其压力转换部件，即将待测压力转换传递到谐振元件上的结构件，而压力转换部件通常采用波纹管，又常引入柔性杠杆机构作为传递结构，二者通过分别加工制造完成后常用焊接等方式完成装配连接，其装配精度和连接的强度会大大影响传感器的精度和长期稳定性。
有鉴于此，设计一种结构简单、精度高的谐振式压力传感器是至关重要的。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，包括压力转换元件、盖帽和石英双端音叉，压力转换元件包括承载件、第一支撑板和第二支撑板，承载件包括连接部和基台，连接部内设有压力通道，基台设于连接部的一端并可接收到从连接部的另一端经压力通道传导的压力，第一支撑板设于基台上，第二支撑板设于连接部的一端并设有容纳第一支撑板的通孔，第一支撑板与第二支撑板之间设有间隔，石英双端音叉跨越间隔并且两端分别固定在第一支撑板和第二支撑板上，石英双端音叉的中轴线与压力转换元件的中轴线重合，盖帽与连接部密封连接并形成上腔室，第一支撑板、第二支撑板、基台和石英双端音叉设于上腔室内。
作为优选，石英双端音叉的中间设有两个齿臂，齿臂悬空设置于间隔之间。
作为优选，石英双端音叉的两端分别设有第一固定端和第二固定端，第一支撑板上设有容纳第一固定端的第一凹槽，第二支撑板上设有容纳第二固定端的第二凹槽。
作为优选，第一固定端和第二固定端分别贴合在第一凹槽和第二凹槽上。
作为优选，第一支撑板的顶部与通孔的顶部相对设置，第一凹槽设于第一支撑板的顶部侧边，第二凹槽设于通孔的顶部侧边。
作为优选，第一固定端与第二固定端之间的间距与第一支撑板的顶部与通孔的顶部之间的间距相等。
作为优选，连接部的另一端连接压力源，当压力源经过压力通道传导至基台时，基台发生形变，并带动第一支撑板沿压力转换元件的中轴线产生位移，使石英双端音叉发生形变，改变石英双端音叉的谐振频率。
作为优选，第二支撑板上设有电路结构，电路结构与石英双端音叉电连接，用于检测石英双端音叉的谐振频率。
作为优选，第一支撑板和第二支撑板通过焊接方式固定在承载件上。
作为优选，上腔室内为真空条件。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明提出的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器将石英双端音叉的两端分别固定安装在第一支撑板和第二支撑板之间，并使石英双端音叉的中轴线与压力转换元件的中轴线重合，在压力传导过程中通过测量石英双端音叉的谐振频率变化，可获得待测压力信息，该传感器的结构简单，敏感度高。
(2)本发明提出的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器中压力转换元件机构简单，避免额外结构的连接、对准以及不同材料热不匹配引起的不利干扰，保证压力传感器的测试精度。
(3)本发明提出的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器在盖帽与压力转换元件间采取了隔离措施，保证了石英双端音叉起振不受干扰，并且在第二支撑板上设有用于与石英双端音叉连接的电路结构，测量过程无需数模转换，可直接输出为数字的压力信号。
附图说明
图1为本申请的实施例的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器的示意图；
图2为本申请的实施例的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器的分解图一；
图3为图2的局部放大图；
图4为本申请的实施例的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器的分解图二；
图5为本申请的实施例的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器的石英双端音叉的示意图；
图6为本申请的实施例的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器的俯视图；
附图标记：1、压力转换元件；11、承载件；12、第一支撑板；13、第二支撑板；14、基台；15、压力通道；16、第一凹槽；17、第二凹槽；18、连接部；2、盖帽；3、石英双端音叉；31、第一固定端；32、第二固定端；33、齿臂。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
参考图1-6，本申请的实施例提出了一种基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，包括压力转换元件1、盖帽2和石英双端音叉3，压力转换元件1包括承载件11、第一支撑板12和第二支撑板13，第一支撑板12和第二支撑板13通过焊接方式固定在承载件11上。具体的，承载件11包括连接部18和基台14，连接部18内设有压力通道15，基台14设于连接部18的一端并可接收到从连接部18的另一端经压力通道15传导的压力，具体的，压力通道15的一端与基台14密封连接，另一端设有开口，并且压力通道15与连接部18同轴设置，当连接部18的另一端与压力源连接，压力源所产生的压力经压力通道15传导至基台14，使基台14发生位移。第一支撑板12设于基台14上，第二支撑板13设于连接部18的一端并设有容纳第一支撑板12的通孔，第一支撑板12与第二支撑板13之间设有间隔，石英双端音叉3跨越间隔并且两端分别固定在第一支撑板12和第二支撑板13上，并且石英双端音叉3的中轴线与压力转换元件1的中轴线重合，基台14的位移带动第一支撑板12的位移，改变第一支撑板12与第二支撑板13之间间隔的距离，导致石英双端音叉3受压，改变石英双端音叉3的谐振频率，通过检测谐振频率的变化，即可得到待测压力。盖帽2与连接部18密封连接并形成上腔室，第一支撑板12、第二支撑板13、基台14和石英双端音叉3设于上腔室内。具体的，连接部18的一端侧边设有外螺纹，盖帽2的内壁设有内螺纹，通过螺纹连接将盖帽2与连接部18的一端固定在一起。上腔室保持真空状态，可提高测试的精度。盖帽2也可保护压力转换元件1和石英双端音叉3在工作过程中不受到干扰。
在具体的实施例中，参考图2-5，石英双端音叉3的中间设有两个齿臂33，齿臂33悬空设置于间隔之间，构成振动梁，齿臂33表面四周都设置有电极，电极之间相互电连接，用以检测石英双端音叉3的起振，在逆压电效应作用下，通入交变电压，石英双端音叉3的振动梁处于预设振动模态。石英双端音叉3的两端分别设有第一固定端31和第二固定端32，第一支撑板12上设有容纳第一固定端31的第一凹槽16，第二支撑板13上设有容纳第二固定端32的第二凹槽17。第一固定端31和第二固定端32分别贴合在第一凹槽16和第二凹槽17上。第一支撑板12的顶部与通孔的顶部相对设置，第一凹槽16设于第一支撑板12的顶部侧边，第二凹槽17设于通孔的顶部侧边。第一固定端31与第二固定端32之间的间距与第一支撑板12的顶部与通孔的顶部之间的间距相等。根据第一支撑板12与第二支撑板13之间间隔的距离对准安装石英双端音叉3，将石英双端音叉3两端固定安装在压力转换元件1上之后，石英双端音叉3的中轴线与压力转换元件1的中轴线重合，石英双端音叉3的齿臂33悬空不受影响，达到稳定输出效果。
在具体的实施例中，第二支撑板13上设有电路结构，电路结构与石英双端音叉3电连接，用于检测石英双端音叉3的谐振频率。具体的，石英双端音叉3的第一固定端31的上表面设有检测电极，下表面贴装在第一凹槽16中，石英双端音叉3的第二固定端32的上表面设有焊盘，该焊盘与电路结构通过键合引线实现电气连接，
在具体的实施例中，连接部18的另一端连接压力源，当压力源经过压力通道15传导至基台14时，基台14发生形变，并带动第一支撑板12沿压力转换元件1的中轴线产生位移，使石英双端音叉3发生形变，改变石英双端音叉3的谐振频率。本申请的实施例提出的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器大大简化了结构，减少了能量的损耗。
本申请的实施例的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器的工作原理如下：
由于逆压电效应，当被施加的交变电压激励后，石英双端音叉3按照其预定的固有模态振型振动，振型一般为平行于音叉面的反向振动。当待测压力作用于压力通道15端部的基台14上，基台14受力发生形变，使得第一支撑板12沿压力转换元件1的轴线产生位移。此时，安装在第一支撑板12和第二支撑板13之间的石英双端音叉3受压发生压电效应，进而使得石英音叉梁谐振频率发生变化，石英双端音叉3的谐振频率与初始谐振频率的差值与压力成比例关系，通过测量谐振频率的差值，可以检测出待测压力的大小。在室温环境下，对本申请的实施例的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器进行压力测试，待测压力的范围为0-30MPa，测试石英谐振式压力传感器的线性度、重复性、迟滞性能参数。
采用下式计算传感器基本精度：
其中，δH表示传感器线性度，δH表示传感器迟滞性，δR表示传感器重复性，将所得到的传感器频率数据进行处理，得到表1的性能测试结果。
表1
通过表1的结果可知，本申请的实施例的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器具有较好的性能，测试精度较好。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，其特征在于：包括压力转换元件、盖帽和石英双端音叉，所述压力转换元件包括承载件、第一支撑板和第二支撑板，所述承载件包括连接部和基台，所述连接部内设有压力通道，所述基台设于所述连接部的一端并可接收到从所述连接部的另一端经所述压力通道传导的压力，所述第一支撑板设于所述基台上，第二支撑板设于所述连接部的一端并设有容纳所述第一支撑板的通孔，所述第一支撑板与所述第二支撑板之间设有间隔，所述石英双端音叉跨越所述间隔并且两端分别固定在所述第一支撑板和第二支撑板上，所述石英双端音叉的中轴线与所述压力转换元件的中轴线重合，所述盖帽与所述连接部密封连接并形成上腔室，所述第一支撑板、第二支撑板、基台和石英双端音叉设于所述上腔室内。
2.根据权利要求1所述的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，其特征在于：所述石英双端音叉的中间设有两个齿臂，所述齿臂悬空设置于所述间隔之间。
3.根据权利要求1所述的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，其特征在于：所述石英双端音叉的两端分别设有第一固定端和第二固定端，第一支撑板上设有容纳第一固定端的第一凹槽，所述第二支撑板上设有容纳第二固定端的第二凹槽。
4.根据权利要求3所述的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，其特征在于：所述第一固定端和所述第二固定端分别贴合在所述第一凹槽和第二凹槽上。
5.根据权利要求3所述的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，其特征在于：所述第一支撑板的顶部与所述通孔的顶部相对设置，所述第一凹槽设于所述第一支撑板的顶部侧边，所述第二凹槽设于所述通孔的顶部侧边。
6.根据权利要求3所述的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，其特征在于：所述第一固定端与第二固定端之间的间距与所述第一支撑板的顶部与通孔的顶部之间的间距相等。
7.根据权利要求1所述的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，其特征在于：所述连接部的另一端连接压力源，当所述压力源经过所述压力通道传导至所述基台时，所述基台发生形变，并带动所述第一支撑板沿所述压力转换元件的中轴线产生位移，使所述石英双端音叉发生形变，改变所述石英双端音叉的谐振频率。
8.根据权利要求1所述的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，其特征在于：所述第二支撑板上设有电路结构，所述电路结构与所述石英双端音叉电连接，用于检测所述石英双端音叉的谐振频率。
9.根据权利要求1所述的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，其特征在于：所述第一支撑板和第二支撑板通过焊接方式固定在所述承载件上。
10.根据权利要求1所述的基于单压力转换元件的石英谐振式压力传感器，其特征在于：所述上腔室内为真空条件。
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