[發明專利]一種雙端固支石英梁諧振式真空度傳感器

有效

• 申請號: 201410151107.6
• 申請日: 2014-04-15
• 公開（公告）號: CN103940548A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 趙玉龍;程榮俊;李村;田邊
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01L21/00
• 分類號: G01L21/00
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 賀建斌

技術領域

本發明涉及諧振式傳感器技術領域，特別涉及一種雙端固支石英梁諧振式真空度傳感器。

背景技術

真空度傳感器是用于測量低于一個大氣壓的傳感器，是真空計的傳感測量部分。其主要形式有液態式、電容式、熱傳導式、諧振式和電離式等。其中，諧振式真空度傳感器是利用靜電力驅動下諧振器的諧振阻抗隨被測壓力的變化而變化的原理制成的，具有體積小、靈敏度高、準數字信號輸出、抗干擾能力強等優點。目前，諧振式真空度傳感器主要是硅微結構或利用市場上的晶振制作，但由于采用的石英音叉是單端固支在金屬殼體上的懸臂梁結構，其測量精度會受到振動、熱膨脹等環境因素的影響，特別是在低真空的時測量精度顯著降低。

發明內容

為了克服上述現有技術的缺點，本發明的目的在于提出一種雙端固支石英梁諧振式真空度傳感器，采用微機械電子加工工藝制作傳感器芯片，具有精度高、抗干擾能力好的優點。

為了達到上述目的，本發明所采用的技術方案是：

一種雙端固支石英梁諧振式真空度傳感器，包括底座6，底座6和外管殼1連接在一起，外管殼1內腔和底座6接觸的凹槽內配置有O型橡膠密封圈4，外管殼1頂部的壓力孔與待測壓力相通，底座6頂端的凹槽內連接有玻璃基底3和兩根電極柱5，電極柱5穿過底座6伸出外管殼1外，玻璃基底3用環氧樹脂10粘接在底座6頂端的凹槽內，玻璃基底3的上方配置有石英梁2，石英梁2由兩端的第一基座2-1、第二基座2-2和中間的梁2-5連接構成，玻璃基底3的頂部設有第一凸臺3-1、第二凸臺3-2，底部設有凹槽3-3，第一基座2-1底面用焊料9固定在第一凸臺3-1上，第二基座2-2底面用焊料9固定在第二凸臺3-2上，第一基座2-1正面沉積有第一壓焊塊2-3，第二基座2-2正面沉積有第二壓焊塊2-4，第一壓焊塊2-3通過超聲熱壓鍵合用金絲8與第一電極柱5-1連接，第二壓焊塊2-4通過超聲熱壓鍵合用金絲8與第二電極柱5-2連接。

所述的第一凸臺3-1、第二凸臺3-2是通過玻璃濕法腐蝕形成，深度為50～200μm。

與現有技術相比本發明的優點在于：石英梁2為雙端固支石英音叉，其品質因數高，穩定性好，相較于其他用晶振或硅梁等制作的諧振式真空度傳感器，本發明具有精度高、穩定性好、抗干擾能力好等優點。

附圖說明

圖1為本發明真空傳感器的結構示意圖，其中：圖1-a為傳感器的全剖視圖，圖1-b為芯片部分的局部放大圖。

圖2為去除封裝外管殼1和螺釘7后的三維結構示意圖。

圖3為石英梁2的結構示意圖以及諧振時的振動模態示意圖。

圖4為玻璃基底3的結構示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

參照圖1和圖2，一種雙端固支石英梁諧振式真空度傳感器，包括底座6，底座6和外管殼1通過四個螺釘7連接在一起，外管殼1內腔和底座6接觸的凹槽內配置有O型橡膠密封圈4，外管殼1頂部的壓力孔與待測壓力相通，底座6頂端的凹槽內連接有玻璃基底3和兩根電極柱5，電極柱5穿過底座6伸出外管殼1外，玻璃基底3用環氧樹脂10粘接在底座6頂端的凹槽內，玻璃基底3的上方配置有石英梁2，石英梁2由兩端的第一基座2-1、第二基座2-2和中間的梁2-5連接構成，玻璃基底3的頂部設有第一凸臺3-1、第二凸臺3-2，底部設有凹槽3-3，第一基座2-1底面通過倒裝鍵合技術用焊料9固定在第一凸臺3-1上，第二基座底面2-2通過倒裝鍵合技術用焊料9固定在第二凸臺3-2上，第一基座2-1正面沉積有第一壓焊塊2-3，第二基座2-2正面沉積有第二壓焊塊2-4，第一壓焊塊2-3通過超聲熱壓鍵合用金絲8與第一電極柱5-1連接，第二壓焊塊2-4通過超聲熱壓鍵合用金絲8與第二電極柱5-2連接。

參考圖3，所述的第一基座2-1、第二基座2-2和梁2-5材料為石英晶體，厚度為80～200μm，梁2-5的四周均覆蓋有電極，并且電極分別與第一壓焊塊2-3和第二壓焊塊2-5連通，第一壓焊塊2-3、第二壓焊塊2-4和梁2-5四周覆蓋的電極材料為Cr/Au層，石英梁2在驅動電路作用下發生諧振，在待測壓力環境中作阻尼振動，振動模態沿石英梁2的寬度方向。

參照圖4，所述的第一凸臺3-1、第二凸臺3-2是通過玻璃濕法腐蝕形成，深度為50～200μm，玻璃基底3主要起熱匹配作用，避免石英梁2因受底座6的熱應力影響而引起測量精度降低，凹槽3-3減小了與底座6的接觸面積，進一步降低了封裝熱應力對石英梁2的影響。

所述的外管殼1和底座6的材料均為可伐合金。

本發明的工作原理是：

待測氣體經外管殼1頂部的壓力孔進入外管殼1的空腔內，外部的激勵和檢測電路連接在電極柱5上，在靜電力驅動作用下石英梁2發生諧振，其諧振阻抗隨待測壓力的變化而變化，通過提取石英梁2的諧振阻抗隨就可以監測待測環境的真空度值。