CN201876398U - 单晶片双对电极石英晶体微量天平探头装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种单晶片双对电极石英晶体微量天平探头装置，包括探头盖、开口挡板、晶片组件、温控组件、法兰、电连接组件、电路组件和外壳。其中晶片组件中的传感晶片上方开设有能够接受来自外部的污染沉积物的传感窗口，晶片组件中参考晶片上方开口对应在前外壳上设置有透明板，在阻挡外部污染沉积物的同时，能够接受与传感晶片相同的外部热辐射，保持参考晶片与传感晶片相同的热环境。本实用新型的单晶片双对电极石英晶体微量天平探头采用传感晶片和参考晶片同体设计，而且均有相同的热环境，通过传感晶片和参考晶片的输出频率的差频，消除温度造成的频率漂移效应。

Description

单晶片双对电极石英晶体微量天平探头装置

技术领域

本实用新型属于分子污染测试技术领域，具体来说涉及一种石英晶体微量天平探头装置。

背景技术

在航天器生产过程中，石英晶体微量天平污染测试是测定航天器研制环境污染状况的主要手段。石英晶体微量天平已经应用到航天器研制的各个阶段，在航天器部件研制试验阶段、航天器总装测试阶段、航天器热试验和力学试验阶段都应用了石英晶体微量天平来测量环境的污染状况，据此提出了有效的污染控制措施，保证了航天器的研制符合污染控制的要求。

然而，目前所研制的石英晶体微量天平采用了传感晶片和参考晶片分离的安装方式，两个晶片的所处的热环境不尽相同，两个晶片的温度差会随环境而变化，从而外部热环境会影响输出的频率值。

国外，美国QCM公司很早就开展了能工作在环境补偿下的石英晶体微量天平，它的主要特点是尽量保持传感晶片和参考晶片热环境相同，将两个晶片在一个平面放置，参考晶片上方由透明介质阻挡，以便外部热流能够通过透明介质达到参考晶片。但是其具体的结构不得而知，而国内目前在这方面还没有相关的厂家进行这方面的研究和研制。因此，提供一种传感晶片和参考晶片的温度差不随环境发生显著改变的石英晶体微量天平是航天器测量技术中的关键。

发明内容

本实用新型的目的之一在于提供一种较低温度效应的石英晶体微量天平，该天平有效克服了两晶片的热传导导致温度不一致的弊端，通过各自的激励电路和差频电路，输出消除温度效应并能够准确地反映污染沉积状态的方波频率信号。

本实用新型采用如下技术方案，一种单晶片双对电极石英晶体微量天平探 头装置，包括探头盖、开口挡板、晶片组件、温控组件、法兰、电连接组件、电路组件和外壳，所述开口挡板由挡板和透明板组成；所述晶片组件由传感晶片、参考晶片、传感晶片弹簧、参考晶片弹簧和晶片底座组成；所述电路组件由振荡差频厚膜电路、连接电路板、插座组成；所述电连接组件由绝热垫、电连接片、固定螺母、电连接柱、连接线组成；其中，晶片组件中的传感晶片上方开设有能够接受来自外部的污染沉积物的传感窗口，晶片组件中参考晶片上方开口对应在前外壳上设置有透明板，包括传感晶片和参考晶片的石英晶片通过传感晶片弹簧和参考晶片弹簧固定在晶片底座上，弹簧同时作为传感晶片和参考晶片的电性连接通道，晶片底座依靠四个电连接柱，通过电连接片、连接线与连接电路板电性连接，连接电路板上的振荡差频厚膜电路驱动传感晶片和参考晶片产生10MHz左右的振荡信号并差频输出方波信号，通过插座引出到外部的石英晶体微量天平控制器进行数据采集。

其中，传感晶片弹簧和参考晶片弹簧作为晶片的电性连接通道、热传递通道和机械连接机构。

其中，所述温控组件由均热板、温度传感器、加热器、保护板、热阻器、绝缘垫组成。

其中，振荡差频厚膜电路集成了两套晶片驱动芯片和一套D触发器差频芯片。

传感晶片接收污染物，参考晶片上方被透明板阻挡在接受与传感晶片相近的热辐射同时不接收污染物。传感晶片和参考晶片通过弹簧连接到晶片底座，晶片底座与温控组件热接触实现温度控制。传感晶片和参考晶片电极通过弹簧连接到晶片底座，依靠电连接柱电性连接到电连接片、连接线到电路组件，电路组件中的振荡差频电路驱动传感晶片和参考晶片输出频率信号，通过插座连接到外部的石英晶体微量天平控制器进行频率采集，同时温控组件的温度传感信号和加热器也通过插座连接到外部的石英晶体微量天平控制器进行温度控制。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

(1)本实用新型的单晶片双对电极石英晶体微量天平探头装置采用传感晶片和参考晶片同体方式，两者通过热传导保持温度一致，通过各自的激励电路和差频电路，输出消除温度效应的能够准确反映污染沉积状态的方波频率信 号。

(2)本实用新型的单晶片双对电极石英晶体微量天平探头装置采用晶片易易更换方式，提高了石英晶体微量天平的可维修性。

附图说明

图1为本实用新型的单晶片双对电极石英晶体微量天平探头装置结构图。

其中，1为探头盖、开口挡板，2为晶片组件，3为温控组件，4为法兰、电连接组件，5为电路组件和外壳。

图2为探头盖、开口挡板的示意图。

其中，11为挡板，12为透明板。

图3为晶片组件的示意图

其中，21为传感晶片，22为参考晶片，23为传感晶片弹簧，24为参考晶片弹簧，25为晶片底座。

图4为温控组件的示意图。

其中，31为均热板，32为温度传感器，33为加热器，34为保护板，35为热阻器，35为绝缘垫。

图5为法兰、电连接组件的示意图。

其中，41为绝热垫，42为电连接片，43为固定螺母，44为电连接柱，45为连接线。

图6为电路组件和外壳的示意图。

其中，51为振荡差频厚膜电路，52为连接电路板，53为插座。

具体实施方式

如图1所示，本实用新型的单晶片双对电极石英晶体微量天平探头装置包括探头盖、开口挡板1、晶片组件2、温控组件3、法兰、电连接组件4、电路组件5和外壳。其中开口挡板1如图2所示由挡板11和透明板12组成；晶片组件2如图3所示由传感晶片21、参考晶片22、传感晶片弹簧23、参考晶片弹簧24和晶片底座25组成；温控组件3如图4所示由均热板31、温度传感器32、加热器33、保护板34、热阻器35和绝缘垫36组成。电连接组件4如图5所示由绝热垫41、电连接片42、固定螺母43、电连接柱44和连接线35组成。电路组件5如图6所示由振荡差频厚膜电路51、连接电路板52和插座53组成。

传感晶片21和参考晶片22位于同一个石英晶片上，传感晶片21上方开有传感窗口，能够接受来自外部的污染沉积物；参考晶片22上方开口安装有透明板12，在阻挡外部污染沉积物的同时，能够接受与传感晶片21相同的外部热辐射，以保持参考晶片22与传感晶片21相同的热环境。

包含有传感晶片21和参考晶片22的石英晶片通过传感晶片弹簧23和参考晶片弹簧24固定在晶片底座25上，弹簧同时作为传感晶片21和参考晶片22的电性连接通道。晶片底座25依靠四个电连接柱44，通过电连接片42、连接线45与连接电路板52电性连接。连接电路板52上的振荡差频厚膜电路51驱动传感晶片21和参考晶片22产生10MHz左右的振荡信号并差频输出方波信号，通过插座53引出到外部的石英晶体微量天平控制器进行数据采集。由于传感晶片21和参考晶片22在同一个石英晶片上，而且两者具有相同的外部热辐射环境，因此两者的温度基本相同，通过差频能够消除石英晶片温度效应对输出频率的影响。

单晶片双对电极石英晶体微量天平探头温控组件的温度传感器32测量组件的温度，加热器33根据外界控制信号对组件进行加热，均热器31由铜质材料制造，用于保持晶片底座25的温度与温度传感器32相同。加热器33和温度传感器32利用各自的电线引到输出插座53，以便由外部的石英晶体微量天平控制器进行温度控制。热阻器35控制温度控制组件与法兰之间的热传导率，以控制温度控制组件的散热率，以保证晶片底座35能够控制在合适的温度范围，温控组件与其它部件之间设置必要的绝缘垫(例如上绝缘垫36和下绝缘垫41)。温控组件依靠两个螺钉固定在法兰上。

开口挡板1用于保护传感晶片21和参考晶片22，法兰用于固定探头内各个部件，外壳用于保护和固定连接电路板52和插座53。开口挡板1上的透明板12用于阻挡外界污染物沉积在参考晶片22上，而不阻挡外界热辐射到参考晶片22。

尽管上文对本实用新型的具体实施方式给予了详细描述和说明，但是应该指明的是，我们可以依据本实用新型的构想对上述实施方式进行各种等效改变和修改，其所产生的功能作用仍未超出说明书及附图所涵盖的精神时，均应在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种单晶片双对电极石英晶体微量天平探头装置，包括探头盖、开口挡板(1)、晶片组件(2)、温控组件(3)、法兰、电连接组件(4)、电路组件(5)和外壳，所述开口挡板(1)由挡板(11)和透明板(12)组成；所述晶片组件(2)由传感晶片(21)、参考晶片(22)、传感晶片弹簧(23)、参考晶片弹簧(24)和晶片底座(25)组成；所述电路组件(5)由振荡差频厚膜电路(51)、连接电路板(52)、插座(53)组成；所述电连接组件(4)由绝热垫(41)、电连接片(42)、固定螺母(43)、电连接柱(44)、连接线(45)组成；其特征在于，晶片组件(2)中的传感晶片(21)上方开设有能够接受来自外部的污染沉积物的传感窗口，晶片组件(2)中参考晶片上方开口对应在前外壳上设置有透明板，包括传感晶片(21)和参考晶片(22)的石英晶片通过传感晶片弹簧(23)和参考晶片弹簧(24)固定在晶片底座(25)上，弹簧同时作为传感晶片(21)和参考晶片(22)的电性连接通道，晶片底座(25)依靠四个电连接柱(44)，通过电连接片(42)、连接线(45)与连接电路板(52)电性连接，连接电路板(52)上的振荡差频厚膜电路(51)驱动传感晶片(21)和参考晶片(22)产生10MHz左右的振荡信号并差频输出方波信号，通过插座(53)引出到外部的石英晶体微量天平控制器进行数据采集。

2.权利要求1所述的单晶片双对电极石英晶体微量天平探头装置，其特征在于传感晶片弹簧(23)和参考晶片弹簧(24)作为晶片的电性连接通道、热传递通道和机械连接机构。

3.权利要求1所述的单晶片双对电极石英晶体微量天平探头装置，其特征在于所述温控组件(3)由均热板(31)、温度传感器(32)、加热器(33)、保护板(34)、热阻器(35)、绝缘垫(36)组成。

4.权利要求1所述的单晶片双对电极石英晶体微量天平探头装置，其特征在于振荡差频厚膜电路(51)集成了两套晶片驱动芯片和一套D触发器差频芯片。 

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