石英晶體諧振式絕對(duì)壓力傳感器研制

　　0引 言

　　諧振式石英晶體壓力傳感器以其高精度，良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性廣泛應(yīng)用于氣壓與高度測(cè)量、壓力自動(dòng)校準(zhǔn)以及精密過(guò)程控制等。這種高精度石英晶體壓力傳感器在結(jié)構(gòu)形式上主要有2種形式，一種是厚膜切變模式，將石英晶體加工成透鏡模式，在透鏡上制作電極，利用其振動(dòng)頻率與所受壓力的變化關(guān)系來(lái)檢測(cè)壓力的大小，這種傳感器對(duì)透鏡和電極的加工工藝要求很高，產(chǎn)品制造難度大，現(xiàn)已逐漸被其他結(jié)構(gòu)取代；另一種是以石英諧振梁為力敏元件，用波登管或金屬膜盒來(lái)感受壓力，并將壓力轉(zhuǎn)換成力作用到諧振梁上，諧振梁的頻率隨作用壓力變化而變化，利用諧振梁的頻率變化來(lái)檢測(cè)被測(cè)壓力的大小。這種壓力傳感器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，對(duì)材料和制造工藝都要求很高，目前，國(guó)際上僅有少數(shù)幾家公司掌握了其關(guān)鍵技術(shù)，能夠批量提供產(chǎn)品。針對(duì)該傳感器的制造難題，本文提出了研制全石英壓力敏感元件的壓力傳感器，用石英彈性膜片替代復(fù)雜的金屬?gòu)椥栽档椭谱麟y度，實(shí)現(xiàn)傳感器小型化。

　　1傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理

　　石英諧振式壓力傳感器主要由壓力敏感元件和激振電路組成。傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括壓力接口、壓力敏感元件和殼體等。壓力敏感元件是傳感器的核心，它包括彈性膜片和音叉式力敏諧振器。當(dāng)壓力作用于彈性膜片時(shí)，使膜片產(chǎn)生變形，導(dǎo)致膜片沿直徑方向產(chǎn)生拉力或壓力，并將該力作用到諧振梁上，諧振梁的頻率隨作用力變化而變化，利用諧振梁的頻率變化來(lái)檢測(cè)被測(cè)壓力的大小。壓力敏感元件各部均由石英晶體材料制成。石英力敏諧振器通過(guò)光刻和化學(xué)腐蝕工藝加工完成，并采用燒結(jié)工藝裝配到彈性膜片上，然后，在真空條件下，將彈性膜片燒結(jié)到已研磨出空腔的基座上，在完成基座與彈性膜片燒結(jié)同時(shí)也形成了真空參考力腔，這即符合制作絕壓傳感器的設(shè)計(jì)要求，又滿足了諧振器的真空工作環(huán)境需要。

       
 
　　式中 L，t和b分別為諧振梁的長(zhǎng)、寬和厚度；E和p分別為彈性模量和密度；f0為中心諧振頻率。在一階振動(dòng)模式，兩端固定條件下，常數(shù)a0和as分別為1.026和0.294。

        
 
　　2石英力敏諧振器制作

　　石英力敏諧振器是由2個(gè)外側(cè)的支撐梁和2個(gè)內(nèi)側(cè)諧振梁構(gòu)成，電極分布在諧振梁上，且分布在諧振梁的上下表面與側(cè)面，支撐梁上沒(méi)有電極。利用銅鍍層掩蔽，采用各向異性腐蝕液對(duì)石英晶體進(jìn)行刻蝕。采用旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)方式蒸電極層，側(cè)面電極通過(guò)增加特制側(cè)面光源進(jìn)行光刻，這樣，就解決了側(cè)電極制作難題。完成光刻的諧振器需要進(jìn)行溫度循環(huán)處理，減少殘余應(yīng)力。力敏諧振器的工藝流程如圖4所示。

　　通過(guò)上述過(guò)程制出梁的寬度為190μm，2根梁的間距為160μm，梁的長(zhǎng)度為4.96 mm的力敏諧振器，其量程為0～150 gf，中心頻率為(40±4)kHz，精度為0.05％，滿量程輸出為(1.2±0.24)kHz。

　　3壓力敏感元件裝配

　　傳感器壓力敏感元件結(jié)構(gòu)如圖5所示。采用研磨方法加工出壓力敏感元件基座的圓形空腔體，由于圓形空腔體的直徑與彈性膜片厚度決定了傳感器的量程，因此，在加工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制腔體直徑。如腔體直徑尺寸偏大，則降低量程；反之，則會(huì)使量程增大。對(duì)研磨后的表面采用各向同性腐蝕液來(lái)去除表面由于研磨導(dǎo)致的損傷層，減少機(jī)械殘余應(yīng)力。

　　力敏諧振器與彈性膜片用玻璃粉燒結(jié)到一起，使其形成剛性連接。由于力敏諧振器在膜片上的位置直接影響傳感器的輸出與精度，為此，在燒結(jié)過(guò)程中采用專用夾具防止諧振器在燒結(jié)過(guò)程中產(chǎn)生滑移，這也是壓力敏感元件制作過(guò)程中的關(guān)鍵工藝之一。

　　基座與彈性膜片之間采用玻璃粉燒結(jié)在一起，該燒結(jié)過(guò)程是在真空條件下進(jìn)行的。這樣，既實(shí)現(xiàn)了彈性膜片與基座之間形成剛性連接，又實(shí)現(xiàn)了壓力腔體的真空密封，從而完成了傳感器的真空封裝。為保證傳感器的精度，在燒結(jié)過(guò)程中仍需使諧振器處于空腔的中心位置，為此，采用了專用夾具。

　　將壓力敏感元件、傳感器激振電路和殼體進(jìn)行裝配，這樣，就完成傳感器的制作。

　　4標(biāo)定測(cè)試

　　在室溫條件下，對(duì)傳感器施加10 V直流電壓，進(jìn)行靜態(tài)標(biāo)定，表1給出了1#傳感器的典型標(biāo)定數(shù)據(jù)，表2給出了2#傳感器靜態(tài)標(biāo)定數(shù)據(jù)。

　　從表1和表2中可以看出：傳感器的滿量程輸出分別為1.1461kHz和1.1599kHz，用每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的正反行程平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算，傳感器精度優(yōu)于0.05％。

　　5結(jié)束語(yǔ)

　　在諧振式石英晶體絕對(duì)壓力傳感器研制中，采用石英晶體材料制作彈性膜片，解決了該傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制作工藝難度大等技術(shù)難題。研制出的傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、體積小等，其量程為0～120kPa，中心頻率為(40+4)kHz，精度為0.05％，適用于高精度絕對(duì)壓力測(cè)量要求。