石英音叉压力传感器的制作方法

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种石英音叉压力传感器。


背景技术：

2.目前市面上的压力传感器包括压阻式和谐振式。压阻式压力传感器的敏感元件是压敏电阻，其原理是当外界压力作用在压敏电阻上会引起阻值的变化，阻值变化转化为电压的变化，通过测试输出电压值即可得到外部压力值。谐振式压力传感器的工作原理为利用谐振频率与压力的对应关系制备的频率信号输出型传感器。
3.但是传统压阻式压力传感器的缺点是温漂严重，频率输出型石英压力传感器的灵敏度不高，使用场合受限。


技术实现要素：

4.本发明提供一种石英音叉压力传感器，用以解决现有技术中压阻式压力传感器温漂严重，频率输出型石英压力传感器灵敏度低，使用场合受限的缺陷，实现降低温度敏感度，且将检测方式由检测频率改变为检测灵敏度更高的音叉q值的效果。
5.本发明提供一种石英音叉压力传感器，包括：壳体，所述壳体内为真空环境；框架，所述框架连接在所述壳体的内部；谐振音叉组件，所述谐振音叉组件包括音叉主体和音叉驱动装置，所述音叉主体与所述框架为一体结构，所述音叉驱动装置与所述音叉主体连接，用于驱动所述音叉主体振动；q值检测电极，所述q值检测电极与所述音叉驱动装置电连接，用于检测音叉q值；所述音叉主体与所述框架均为石英材质且切型相同。
6.根据本发明提供的一种石英音叉压力传感器，所述框架包括主框体和贯穿所述主框体的通槽，所述音叉主体位于所述通槽内。
7.根据本发明提供的一种石英音叉压力传感器，所述音叉主体包括：基部，所述基部与所述主框架通过连接梁连接为一体结构，所述连接梁设置在所述主框架位于所述通槽的底部的位置与所述基部的底部之间；两个叉指，两个所述叉指平行设置且均设置在所述基部的顶部，两个所述叉指之间以及两个所述叉指与所述通槽的内侧面之间均留有供所述叉指振动的空间。
8.根据本发明提供的一种石英音叉压力传感器，所述连接梁的宽度为s1，所述音叉主体的厚度为h，其中h/3≤s1≤2h/3。
9.根据本发明提供的一种石英音叉压力传感器，所述叉指沿宽度方向的外侧面与所述通槽沿宽度方向且靠近所述叉指的内侧面之间设置有夹角，且所述叉指远离所述基部的一端距所述通槽的内侧面之间的距离大于所述叉指靠近所述基部的一端距所述通槽的内侧面之间的距离。
10.根据本发明提供的一种石英音叉压力传感器，所述叉指的长度为s2，所述叉指的振动幅值为s3，所述叉指沿宽度方向的外侧面与所述通槽沿宽度方向的内侧面之间的夹角为θ，其中θ＝arctan(s3/s2)。
11.根据本发明提供的一种石英音叉压力传感器，所述框架还包括两个盖板，两个所述盖板分别覆盖在所述通槽沿厚度方向的两侧，所述盖板与所述通槽对应的一侧设置有凹槽。
12.根据本发明提供的一种石英音叉压力传感器，所述叉指靠近所述盖板的一侧与所述盖板之间的间隙为s4，其中，5μm≤s4≤50μm。
13.根据本发明提供的一种石英音叉压力传感器，每个所述盖板与所述主框体之间设置有至少两个对准标记。
14.根据本发明提供的一种石英音叉压力传感器，所述音叉驱动装置为音叉驱动电极。
15.本发明提供的一种石英音叉压力传感器，包括壳体、框架、谐振音叉组件和q值检测电极，壳体用于提供真空环境，框架、谐振音叉组件和q值检测电极均设置在壳体的真空环境内。框架设置在壳体内且与壳体固定连接。谐振音叉组件包括音叉主体和音叉驱动装置，音叉驱动装置驱动音叉振动。当外界压力改变时，压力变化导致谐振音叉组件和框架结构所处环境的真空度发生变化，真空度变化导致空气含量发生变化，进而导致阻尼发生变化，阻尼变化会导致音叉q值发生变化，由q值检测电极对音叉q值进行检测并输出，根据q值的变化即可得出压力的变化。由于q值对温度的敏感度低于压敏电阻的阻值对温度的敏感度，并且音叉主体与框架均采用石英材质，且切型相同，热膨胀系数匹配，因此，温漂低于压阻式压力传感器。此外，在相同真空度变化范围内，q值输出的灵敏度高于频率输出的灵敏度，因此，提高了传感器的灵敏度。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1是本发明提供的石英音叉压力传感器三维结构示意图；
18.图2是本发明提供的石英音叉压力传感器主框体、音叉主体和q值检测电极连接结构示意图；
19.图3是本发明提供的盖板主视图；
20.附图标记：
21.101：主框体；
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102：盖板；
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103：凹槽；
22.104：通槽；
23.201：基部；
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202：叉指；
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203：音叉驱动电极；
24.300：q值检测电极；
25.400：连接梁；
26.501：定位块；
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502：定位槽。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本
发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
28.下面结合图1至图3描述本发明的石英音叉压力传感器。
29.本发明提供一种石英音叉压力传感器，包括壳体、框架、谐振音叉组件和q值检测电极300，壳体用于提供真空环境，框架、谐振音叉组件和q值检测电极300组成检测组件，全部设置在壳体内，用于检测压力变化时的音叉q值，根据音叉q值输出压力值。
30.壳体可以为密封结构，内部提供真空环境。
31.框架可以为石英材质，且切型可以为z型。
32.谐振音叉包括音叉主体和音叉驱动装置，音叉主体与框架为一体结构，音叉驱动装置用于驱动音叉主体进行振动。音叉主体为与框架相同的石英材质，且切型也为z型。
33.q值检测电极300可以安装在框架上，且检测端与音叉驱动装置电连接，q值检测电极300用于检测音叉q值。
34.当外界压力改变时，压力变化会导致谐振音叉组件和框架结构所处环境的真空度发生变化，即壳体内的真空度发生变化，真空度变化导致壳体内的空气含量发生变化，进而导致阻尼发生变化，阻尼变化会导致音叉q值发生变化，由q值检测电极300对音叉q值进行检测并输出，通过q值的改变即可得出压力的变化。由于q值对温度的敏感度低于压敏电阻的敏感度，并且音叉主体与框架均采用石英材质，且切型相同，热膨胀系数匹配，因此，温漂低于压阻式压力传感器。此外，在相同真空度变化范围内，q值输出的灵敏度高于频率输出的灵敏度，因此，提高了传感器的灵敏度。
35.在本发明的一个实施例中，上述的框架可以包括主框体101和贯穿主框体101的通槽104，主框体101可以为石英材质的长方体形板状结构，如图2所示，与纸面平行向上的方向为上，与纸面平行向下的方向为下，与纸面平行的左右方向为主框体101的左右方向，与纸面垂直向内的方向为前，与纸面垂直向外的方向为后。上述的通槽104可以设置在主框体101上三分之二的部分且沿左右方向的中间位置，通槽104沿主框体101的厚度方向贯穿主框体101，或者说是沿前后方向贯穿主框体101。
36.在本发明的一个实施例中，上述的音叉主体包括基部201和两个叉指202。基部201包括对称的两个子基部，每个子基部的底部为长方体形结构，顶部为棱台形结构，棱台形结构的小端朝上设置，每个子基部的顶部均设置一个叉指202，叉指202的长度远大于基部201的高度。一个子基部和位于该子基部上的叉指202向一侧对称后得到另一个子基部和叉指202。两个子基部为一体结构。
37.与音叉主体结构对应的，上述的通槽104的形状与音叉主体的形状基本相似，但通槽104的尺寸大于音叉主体的外边缘尺寸。通槽104的上半部分用于容纳叉指202，为长方形槽，通槽104的下半部分用于容纳基部201，该部分底部为长方体形槽，顶部为梯形槽。
38.其中，基部201的底部中心与位于通槽104底部的主框体101之间设置有连接梁400，通过连接梁400实现固定连接，连接梁400、基部201以及框架为一体结构。
39.进一步的，上述的连接梁400可以为长方体形结构，沿前后方向的长度可以等于基部201沿前后方向的长度，连接梁400的前后两端分别与基部201的前后两端平齐，在左右方向上，连接梁400的底部位于通槽104底部沿左右方向的中心，连接梁400的顶部位于基部
201底部沿左右方向的中心。其中，连接梁400沿左右方向的宽度可以为s1，音叉主体沿前后方向的厚度可以为h，连接梁400的宽度与音叉主体的厚度满足h/3≤s1≤2h/3。
40.连接梁400的宽度s1在此尺寸范围内，灵敏度最高；小于该尺寸范围时，连接梁400过窄，容易断裂，大于该尺寸范围时，连接梁400刚度过大，能量损耗大，灵敏度降低。
41.而两个叉指202之间以及叉指202与通槽104的内侧面之间均设置有供叉指202振动的空间。叉指202沿宽度方向的外侧面与通槽104沿宽度方向的内侧面之间设置有夹角，即左侧的叉指202的左侧面与通槽104左侧的内侧面之间、右侧的叉指202的右侧面与通槽104右侧的内侧面之间均设置有夹角，且夹角大于0度，即为不平行状态。
42.进一步的，以左侧的叉指202为例，叉指202顶端左侧距通槽104左侧的内侧面之间的距离大于叉指202底端左侧距通槽104左侧的内侧面之间的距离。根据音叉的工作原理，叉指202会沿靠近主框体101以及远离外框这两种模式往复振动，或者说，在本实施例中，叉指202沿左右方向往复振动。在音叉靠近主框体101时，叉指202远离连接梁400的一端的位移大于靠近连接梁400一端的位移，左侧的叉指202靠近连接梁400的一端与通槽104左侧面的间距设计的小一些，可以增大阻尼，压膜阻尼与间距相关，距离越小，压膜阻尼越大。
43.在本发明的一个实施例中，叉指202的长度可以为s2，叉指202的振动幅值为s3，以左侧的叉指202为例，左侧的叉指202的左侧面与通槽104的左侧的内侧面之间的夹角可以为θ，其中θ＝arctan(s3/s2)。
44.在本发明的一个实施例中，上述的框架还包括两个盖板102，两个盖板102分别设置在主框体101的前侧和后侧的上半部分，盖板102至少需要覆盖叉指202对应的区域，在盖板102与通槽104对应的一侧设置有凹槽103，凹槽103可防止叉指202振动时与盖板102发生干涉，为叉指202提供振动空间。
45.在进一步的实施例中，上述的叉指202靠近盖板102的一侧与盖板102的凹槽103之间的间隙可以为s4，间隙需要满足5μm≤s4≤50μm。
46.在本发明的一个实施例中，每个盖板102与主框体101相对的一侧与主框体101之间均设置有至少两个对准标记，对准标记可以为定位块501和定位槽502。
47.例如，主框体101的前侧面设置有四个定位块501，四个定位块501呈矩形分布，盖板102与主框体101前侧面对应一侧且与定位块501对应的位置设置有定位槽502，安装时，使定位块501与定位槽502对正后连接。主框体101后侧面与盖板102的连接可参照前侧面的连接，两者结构可以相同。
48.在本发明的一个实施例中，上述的音叉驱动装置可以为音叉驱动电极203，音叉驱动电极203设置在叉指202上，用于驱动叉指202进行振动。
49.q值检测电极300通过金丝键合或者倒装焊的方式与外壳的信号引出端连接。
50.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。