石英晶體諧振式絕對壓力傳感器研制

　　0引 言

　　諧振式石英晶體壓力傳感器以其高精度，良好的長期穩定性廣泛應用于氣壓與高度測量、壓力自動校準以及精密過程控制等。這種高精度石英晶體壓力傳感器在結構形式上主要有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，利用其振動頻率與所受壓力的變化關系來檢測壓力的大小，這種傳感器對透鏡和電極的加工工藝要求很高，產品制造難度大，現已逐漸被其他結構取代；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感受壓力，并將壓力轉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檢測被測壓力的大小。這種壓力傳感器結構較為復雜，對材料和制造工藝都要求很高，目前，國際上僅有少數幾家公司掌握了其關鍵技術，能夠批量提供產品。針對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雜的金屬彈性元件，降低制作難度，實現傳感器小型化。

　　1傳感器的結構與工作原理

　　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。傳感器的結構如圖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。當壓力作用于彈性膜片時，使膜片產生變形，導致膜片沿直徑方向產生拉力或壓力，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檢測被測壓力的大小。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光刻和化學腐蝕工藝加工完成，并采用燒結工藝裝配到彈性膜片上，然后，在真空條件下，將彈性膜片燒結到已研磨出空腔的基座上，在完成基座與彈性膜片燒結同時也形成了真空參考力腔，這即符合制作絕壓傳感器的設計要求，又滿足了諧振器的真空工作環境需要。

       
 
　　式中 L，t和b分別為諧振梁的長、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。在一階振動模式，兩端固定條件下，常數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個外側的支撐梁和2個內側諧振梁構成，電極分布在諧振梁上，且分布在諧振梁的上下表面與側面，支撐梁上沒有電極。利用銅鍍層掩蔽，采用各向異性腐蝕液對石英晶體進行刻蝕。采用旋轉蒸發方式蒸電極層，側面電極通過增加特制側面光源進行光刻，這樣，就解決了側電極制作難題。完成光刻的諧振器需要進行溫度循環處理，減少殘余應力。力敏諧振器的工藝流程如圖4所示。

　　通過上述過程制出梁的寬度為190μm，2根梁的間距為160μm，梁的長度為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構如圖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，在加工過程中應嚴格控制腔體直徑。如腔體直徑尺寸偏大，則降低量程；反之，則會使量程增大。對研磨后的表面采用各向同性腐蝕液來去除表面由于研磨導致的損傷層，減少機械殘余應力。

　　力敏諧振器與彈性膜片用玻璃粉燒結到一起，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，在燒結過程中采用專用夾具防止諧振器在燒結過程中產生滑移，這也是壓力敏感元件制作過程中的關鍵工藝之一。

　　基座與彈性膜片之間采用玻璃粉燒結在一起，該燒結過程是在真空條件下進行的。這樣，既實現了彈性膜片與基座之間形成剛性連接，又實現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，在燒結過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行裝配，這樣，就完成傳感器的制作。

　　4標定測試

　　在室溫條件下，對傳感器施加10 V直流電壓，進行靜態標定，表1給出了1#傳感器的典型標定數據，表2給出了2#傳感器靜態標定數據。

　　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，用每個測量點的正反行程平均值作為標準值計算，傳感器精度優于0.05％。

　　5結束語

　　在諧振式石英晶體絕對壓力傳感器研制中，采用石英晶體材料制作彈性膜片，解決了該傳感器結構復雜，制作工藝難度大等技術難題。研制出的傳感器具有結構簡單、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％，適用于高精度絕對壓力測量要求。