CN220524989U - 一种高精度压电谐振式传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种高精度压电谐振式传感器芯片，所述的传感器芯片包括支撑结构、频率感应区域和电极层，所述的支撑结构外侧连接固定有外部结构体，该支撑结构上具有一凹坑作为频率感应区域，所述的支撑结构的厚度为T1，所述的频率感应区域的厚度为T2，T1>T2，所述的频率感应区域的上、下表面均安装有电极层，该电极层包括主振区域以及与主振区域相连的引脚。本实用新型只需要通过调整频率感应区域的厚度和电极层的厚度，就可以实现对谐振信号初始频率的精确调整，无需根据所需谐振频率的高低来改变支撑结构的装配尺寸，能够采用相同的产品结构和工艺来装配不同频率的传感器芯片。

Description

一种高精度压电谐振式传感器芯片

技术领域

本实用新型涉及传感器芯片技术领域，特别是涉及一种高精度压电谐振式传感器芯片。

背景技术

基于压电谐振原理的传感器相比目前应用更广泛的基于半导体或金属敏感材料的传感器，具有灵敏度高，响应速度快，抗干扰能力强等优点。其基本测量原理是：传感器芯片产生的谐振信号频率随待测物理量(如温度、力、质量等)呈线性变化，通过读取谐振信号的频率变化量，就可以精确测量上述待测物理量的值。因高精度和高灵敏度等要求，用于传感器的芯片谐振频率通常也较高。

由于压电材料通常是一种脆性材料，且其谐振频率与芯片的厚度呈反比关系，所以当其谐振频率较高时，芯片的厚度会很薄，导致其安装和应用过程中易碎而不利于推广。另外，为满足不同应用在量程和精度上的需求，芯片的频率变化范围通常较大，导致其尺寸也随之变化，从而产生了产品量产过程中需要多种尺寸的芯片，造成制造和安装都需要定制化，导致成本大幅上升，降低了该类产品的市场竞争力。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种高精度压电谐振式传感器芯片，只需要通过调整频率感应区域的厚度和电极层的厚度，就可以实现对谐振信号初始频率的精确调整，无需根据所需谐振频率的高低来改变支撑结构的装配尺寸，能够采用相同的产品结构和工艺来装配不同频率的传感器芯片。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高精度压电谐振式传感器芯片，所述的传感器芯片包括支撑结构、频率感应区域和电极层，所述的支撑结构外侧连接固定有外部结构体，该支撑结构上具有一凹坑作为频率感应区域，所述的支撑结构的厚度为T1，所述的频率感应区域的厚度为T2，T1>T2，所述的频率感应区域的上、下表面均安装有电极层，该电极层包括主振区域以及与主振区域相连的引脚。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的凹坑的外形为矩形。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的支撑结构厚度的数值区间为0.1mm≤T1≤10mm。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的频率感应区域厚度的数值区间为0.001mm≤T2≤0.5mm。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的电极层的厚度为T，T的数值区间为0.001um≤T≤10um。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的支撑结构以及频率感应区域所采用的材料为压电材料，如石英、铌酸锂、磷酸锂、硅酸钾镧等材料。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的电极层所采用的材料为导电材料，如金、银、铝等材料。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的支撑结构与外部结构体的连接固定方式为胶粘、焊接、机械夹持以及三种方式之间的互相组合方式。

作为对本实用新型所述的技术方案的一种补充，所述的传感器芯片频率初始值的数值介于0.001MHz～300MHz之间。

有益效果：本实用新型涉及一种高精度压电谐振式传感器芯片，与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1、通过结构强度较高的支撑结构与外部结构体连接固定，确保传感器芯片在装配和使用过程中不容易碎裂，保护了较脆弱的频率感应区域；

2、只需要通过调整频率感应区域的厚度和电极层的厚度，就可以实现对谐振信号初始频率的精确调整，无需根据所需谐振频率的高低来改变支撑结构的装配尺寸，能够采用相同的产品结构和工艺来装配不同频率的传感器芯片，大大降低研发和制造的成本。

附图说明

图1是本实用新型的俯视示意图；

图2是本实用新型主视方向的剖视图；

图3是本实用新型所述的电极层的外形示意图；

图4是本实用新型应用于温度传感器的示意图；

图5是本实用新型应用于力传感器的示意图；

图6是本实用新型应用于质量传感器的示意图。

图示：1、支撑结构，2、频率感应区域，3、电极层，4、外部结构体，5、传感器芯片，6、引脚，7、导电银胶，8、刚性连接区，9、主振区域。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本实用新型。应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型的实施方式涉及一种高精度压电谐振式传感器芯片，如图1-6所示，所述的传感器芯片5包括支撑结构1、频率感应区域2和电极层3，所述的支撑结构1外侧连接固定有外部结构体4，该支撑结构1上具有一凹坑作为频率感应区域2，所述的支撑结构1的厚度为T1，所述的频率感应区域2的厚度为T2，T1>T2，所述的频率感应区域2的上、下表面均安装有电极层3，该电极层3包括主振区域9以及与主振区域9相连的引脚6。

以机械加工或蚀刻的方式，在上述传感器芯片5的局部制造出凹坑结构作为频率感应区域2，此凹坑外型不限于方形。且凹坑的位置不限于芯片的单一表面，可同时对称位于芯片的上下表面。

所述的支撑结构1厚度的数值区间为0.1mm≤T1≤10mm；所述的频率感应区域2厚度的数值区间为0.001mm≤T2≤0.5mm；所述的电极层3的厚度为T，T的数值区间为0.001um≤T≤10um。

所述的支撑结构1以及频率感应区域2所采用的材料为压电材料，如石英、铌酸锂、磷酸锂、硅酸钾镧等材料。

所述的电极层3所采用的材料为导电材料，如金、银、铝等材料。

所述的支撑结构1与外部结构体4的连接固定方式可包括胶粘、焊接和机械夹持三种方式，以及此三种方式之间的互相组合方式。

所述的传感器芯片5频率初始值的数值介于0.001MHz～300MHz之间。

依据应用场景和待测物理量要求的量程和精度计算出传感器所需谐振频率，并设计符合产品结构的芯片外型。传感器芯片5的外型结构可不限于方形，以易于加工和装配固定，其主体部分成为用于与传感器芯片5连接固定的支撑结构1。

可利用金属镀膜(掩膜遮挡)的方式，在凹坑区域的上下表面镀上电极层3，该电极层3包含主振区域9以及与主振区域9相连的引脚6(如图3所示)。主振区域9与引脚6由同一种导电材料组成，且相互连通为一体，在图3中的标识只是为了区分这两个部位具有不同的功能。主振区域9的功能是提供谐振所必需的电场，其外形不限，可为方形或圆形等。引脚6起连接作用，导电银胶7将其与外部电子元件连通，形成振荡电路，产生谐振信号。

只需要通过调整频率感应区域2的厚度和电极层3的厚度，就可以实现对谐振信号初始频率的精确调整。因频率调整的工艺只需稍微改变制程参数，而无需重新调整支撑结构1的外型，从而能够采用相同的产品结构和工艺，装配不同频率的传感器芯片5，降低设计和制造成本。

由上述方法产生的谐振信号频率与待测物理量(如温度、力、质量等)呈线性变化关系。通过读取该谐振信号的频率变化量，就可以精确测量上述待测物理量的值。

具体实施例1——应用于温度传感器

首先依据温度传感的需求，确定用于传感器芯片5的晶体材料切型和工作频率，并采用前述方法加工制作出温度传感器芯片。

因为待测物理量是温度值，所以需要避免外力或其它因素作用于传感器芯片5造成干扰。待测温度通过对流、传导或辐射的方式作用于传感器芯片5。

固定传感器芯片5的方式采用单边点胶方法，如图4所示，即传感器芯片5与外部结构体4之间不直接接触，只是在一侧通过导电银胶7连接传感器芯片5上、下面的引脚6和外部结构体4上的电路节点。

除导电银胶点7以外，传感器芯片5整体悬浮在真空或由氮气保护的密闭腔体内，其工作时的谐振频率只随待测温度的变化而变化，经过校准算法后，能够精确测量温度值。

具体实施例2——应用于力传感器

依据力传感的需求，确定用于传感器芯片5的晶体材料切型和工作频率，并采用前述方法加工制作出力传感器芯片。

因为待测物理量是力值，所以传感器产品结构需要有效地将待测力传递至传感器芯片5，并有效隔离其它因素的干扰。

固定传感器芯片5的方式采用刚性连接的方式，如图5所示，即传感器芯片5与外部结构体4之间直接接触，采用胶粘、焊接或夹持等方式进行刚性连接。待测力F作用在外部结构体4上，通过刚性连接区8传递至传感器芯片5，通过力频效应造成传感器芯片5的谐振频率改变，实现对力值的测量。

导电银胶7连接传感器芯片5上、下面的引脚6和外部电路节点引脚构成振荡电路，传感器芯片5整体放置在真空或由氮气保护的密闭腔体内，其工作时的谐振频率随温度和待测力的变化而变化，经过温度补偿等校准算法后，能够精确测量力值。

具体实施例3——应用于质量传感器

依据质量传感的需求，确定用于传感器芯片5的晶体材料切型和工作频率，并采用前述方法加工制作出质量传感器芯片。

因为待测物理量是质量，主要是微小质量，所以需要避免外力或其它因素作用于传感器芯片5造成干扰。

固定传感器芯片5的方式采用双边点胶方法，如图6所示，即传感器芯片5与外部结构体4之间不直接接触，在传感器芯片5的两侧通过导电银胶7连接传感器芯片5上、下面的引脚6和外部结构体4上的电路节点。待测物以物理滞留或吸附的方式作用于传感器芯片5的表面，通过质量效应改变其谐振频率，实现对质量的测量。

除导电银胶7点胶以外，传感器芯片5整体悬浮在密闭腔体内，其工作时的谐振频率随温度和待测物的质量变化而变化，经过温度补偿等校准算法后，能够精确测量质量。

在本实用新型的描述中，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实用新型和简化描述，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实用新型保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述做出相应解释。

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实用新型保护范围的限制。

以上对本申请所提供的一种高精度压电谐振式传感器芯片，进行了详细介绍，本文中应用了具体例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (9)

1.一种高精度压电谐振式传感器芯片，所述的传感器芯片(5)包括支撑结构(1)、频率感应区域(2)和电极层(3)，其特征在于：所述的支撑结构(1)外侧连接固定有外部结构体(4)，该支撑结构(1)上具有一凹坑作为频率感应区域(2)，所述的支撑结构(1)的厚度为T1，所述的频率感应区域(2)的厚度为T2，T1>T2，所述的频率感应区域(2)的上、下表面均安装有电极层(3)，该电极层(3)包括主振区域(9)以及与主振区域(9)相连的引脚(6)。

2.根据权利要求1所述的一种高精度压电谐振式传感器芯片，其特征在于：所述的凹坑的外形为矩形。

3.根据权利要求1所述的一种高精度压电谐振式传感器芯片，其特征在于：所述的支撑结构(1)厚度的数值区间为0.1mm≤T1≤10mm。

4.根据权利要求1所述的一种高精度压电谐振式传感器芯片，其特征在于：所述的频率感应区域(2)厚度的数值区间为0.001mm≤T2≤0.5mm。

5.根据权利要求1所述的一种高精度压电谐振式传感器芯片，其特征在于：所述的电极层(3)的厚度为T，T的数值区间为0.001um≤T≤10um。

6.根据权利要求1所述的一种高精度压电谐振式传感器芯片，其特征在于：所述的支撑结构(1)以及频率感应区域(2)所采用的材料为压电材料，该压电材料为石英、铌酸锂、磷酸锂或者硅酸钾镧。

7.根据权利要求1所述的一种高精度压电谐振式传感器芯片，其特征在于：所述的电极层(3)所采用的材料为导电材料，该导电材料为金、银或者铝。

8.根据权利要求1所述的一种高精度压电谐振式传感器芯片，其特征在于：所述的支撑结构(1)与外部结构体(4)的连接固定方式为胶粘、焊接、机械夹持以及三种方式之间的互相组合方式。

9.根据权利要求1所述的一种高精度压电谐振式传感器芯片，其特征在于：所述的传感器芯片(5)频率初始值的数值介于0.001MHz～300MHz之间。