專利名稱：一種諧振式石英晶體溫度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及光機電一體化的溫度傳感器,特別是涉及一種諧振式溫度 傳感器。
背景技術(shù)：
2003年，何謹、林江等人在英國的《傳感器評論》((Sensor Review vol.23 No.2,2003.PP.134~142)上發(fā)表一篇關(guān)于石英音叉溫度傳感器的論文《一種新型 的低成本、高技術(shù)指標的石英音叉溫度傳感器》(《A new low-cost high-performance quartz tuning-fork temperature sensor》)，該論文中所述的傳感 器的結(jié)構(gòu)如圖l所示，它由音叉3、第一管腳4、第二管腳5、管座6、管帽8、 玻璃密封料7、第一電極1和第二電極2組成，音叉3位于管帽8中且與管帽 8的內(nèi)側(cè)壁不接觸，第一管腳4的一端與音叉基礎(chǔ)3-3的末端固定連接，第二 管腳4的一端與音叉基礎(chǔ)3-3的末端固定連接，第一管腳4與第二管腳5相互 平行且以音叉3的中心線對稱，管座6與管帽8的開口端連接且使管帽8內(nèi)形 成密封的空間，管座6上有兩個通孔，第一管腳4的另一端和第二管腳5的另 一端分別穿過管座6上的兩個通孔延伸出管帽8,第一管腳4與管座6上的通 孔之間和第二管腳5與管座6上的通孔之間使用玻璃密封料7密封，音叉3 的第一叉臂3-1的前表面和后表面固定有第二金屬膜22，音叉3的左側(cè)壁固定 有第三金屬膜33，第一叉臂3-l的右側(cè)壁固定有第三一金屬模331，第三金屬 膜33和第三一金屬模331通過位于第二金屬膜22上方的第一金屬膜11連接， 第一金屬膜11與第二金屬膜22之間絕緣，音叉3的第二叉臂3-2的前表面和 后表面固定有第五金屬膜55，音叉3的右側(cè)壁固定有第六金屬膜66，第二叉 臂3-2的左側(cè)壁固定有第六一金屬膜661，第六金屬膜66和第六一金屬膜661 通過位于第五金屬膜55上方的第四金屬聘44連接，第四金屬膜44與第五金 屬膜55之間絕緣，第二金屬膜22、第六金屬膜66和第六一金屬膜661構(gòu)成 第一電極，并與位于音叉基礎(chǔ)3-3底部的第二管腳5連接，第三金屬膜33、第 五金屬膜55和第三一金屬模331構(gòu)成第二電極，并與位于音叉基礎(chǔ)3-3底部的第一管腳4連接。
這種傳感器的音叉3是采用機械切叉法制作的彎曲振動模式石英片，它的
主要缺點如下 一、為了防止振動能量從支承部分向外部泄漏，提高"能阱" 效果，該傳感器的音叉的基礎(chǔ)部分體積制作得較大，使得傳感器容易受外部機 械振動和沖擊的干擾，傳感器的響應時間較長。二、采用傳統(tǒng)機械切叉法加工 音叉，不能夠保證音叉結(jié)構(gòu)的完全對稱，使音叉的諧振不平衡，從而導致音叉 基礎(chǔ)部分振動位移的變大，振動能量外泄增大，進而引起晶體諧振器的串聯(lián)等
效阻抗的增大，品質(zhì)因數(shù)(Q值)下降，傳感器分辨率降低，抗干擾能力變差。 現(xiàn)有技術(shù)中大部分都是單轉(zhuǎn)角切型(例如X+10。切型)的諧振式石英音叉
溫度傳感器，這種方法制作的傳感器不僅不容易獲得高技術(shù)指標，而且其設(shè)計
自由度也小，很難滿足各種測溫場合的要求。
實用新型內(nèi)容
本實用新型是為了克服現(xiàn)有石英音叉溫度傳感器的響應時間長、溫度分辨 率低、抗干擾能力差，以及無法滿足各種測溫場合的缺點，從而提供一種新型 的諧振式石英晶體溫度傳感器。
一種諧振式石英晶體溫度傳感器，它由音叉、第一管腳、第二管腳、管座、 管帽、玻璃密封料、第一電極和第二電極組成，音叉位于管帽中且與管帽的內(nèi) 側(cè)壁不接觸，第一管腳的一端與音叉基礎(chǔ)的末端固定連接，第二管腳的一端與 音叉基礎(chǔ)的末端固定連接，第一管腳與第二管腳相互平行且以音叉的中心線對 稱，管座與管帽的開口端連接且使管帽內(nèi)形成密封的空間，管座上有兩個通孔， 第一管腳的另一端和第二管腳的另一端分別穿過管座上的兩個通孔延伸出管 帽，第一管腳與管座上的通孔之間和第二管腳與管座上的通孔之間使用玻璃密 封料密封，第一電極分布于音叉的第一叉臂的前表面、后表面和第二叉臂的側(cè) 壁，第二電極分布于音叉的第二叉臂的前表面、后表面和第一叉臂的側(cè)壁，音 叉的表面開有多個 L，所述多個孔以音叉的中心線對稱分布，位于第一叉臂表 面上的孔的內(nèi)壁固定有金屬膜，所述金屬膜與第一電極連接，位于所述第二叉 臂表面上的孔的內(nèi)壁固定有金屬膜，所述金屬膜與第二電極連接，音叉的側(cè)壁 開有多個缺口，所述多個缺口以音叉的中心線對稱，位于第一叉臂側(cè)壁上的缺口和位于音叉基礎(chǔ)的左側(cè)壁的缺口的內(nèi)壁均固定有金屬膜，并且所述金屬膜與 第二電極連接，位于第二叉臂上的缺口和位于音叉基礎(chǔ)的右側(cè)壁上的缺口的內(nèi) 壁均固定有金屬膜，并且所述金屬膜與第一電極連接，音叉是雙轉(zhuǎn)角切型的石 英晶片。
工作原理彎曲振動模式的諧振式溫度傳感器的參考諧振頻率f可用下式 表示
的解。式中P是石英晶體的密度，^'22和^66是石英晶體的彈性剛度常數(shù)，K' 是取決于音叉形狀因子的常數(shù)，W是音叉叉臂的寬度，L是叉臂的長度。
從式(1)可知，要加快響應速度，提高溫度分辨，就必須減少音叉諧振 器的物理質(zhì)量或平均密度來降低音叉叉臂的彈性剛度常數(shù)。顯然，提高分辨率 和減少響應時間最簡單的方法是縮小音叉?zhèn)鞲衅鞯奈锢沓叽?，但是減小音叉的 外形尺寸，會帶來副作用由于音叉基礎(chǔ)部分本身的質(zhì)量減少，導致振動能量 的漏泄不能被充分地抑制，因此增加了串聯(lián)等效阻抗，甚至大幅度地降低了品 質(zhì)因數(shù)，反而卻降低了溫度分辨率。若增大叉臂寬度，不僅不能降低其響應速 度，同時還會使溫度分辨率有所下降。
基于以上原因，本實用新型利用光刻法、超聲打孔法或激光加工法在兩個 叉臂的表面分別制作形狀為圓形、矩形、橢圓或長圓的通孔或盲孔，以降低叉 臂的彈性剛度常數(shù)，減少傳感器的質(zhì)量，通過這種方式提高溫度分辨率，提高 測溫響應速度。另外，利用濺射法或電子束蒸發(fā)法在通孔的四壁或盲孔的底面 和其四壁制作金屬薄膜，構(gòu)成音叉激勵(或接收)電極，通過這種方式增大激 勵(接收)電場強度，提高其激勵(接收)效率，降低串聯(lián)等效阻抗。而上述 兩種效應的迭加，又能夠進一步提高音叉?zhèn)鞲衅鞯钠焚|(zhì)因數(shù)，從而提高溫度分 辨率。
有益效果本實用新型在兩個音叉臂和音叉基礎(chǔ)上分別設(shè)置了孔和缺口，
式中A是方程N-
2妙義* + A妙A + /g義使得在各個孔或缺口附近產(chǎn)生各種伸縮應變、彎曲應變，從而導致在叉臂根部 的應力發(fā)生了分散和緩沖，減小了傳感器的體積同時有效地抑制了兩個叉臂向 音叉基礎(chǔ)的能量泄漏，并且提高了傳感器的可靠性，增強了抗外界機械振動、 沖擊能力，同時由于減少了音叉整體的質(zhì)量，所以更容易實現(xiàn)溫場平衡，提高
了傳感器的響應速度；此外在兩個音叉臂和音叉基礎(chǔ)上開有的孔和缺口的內(nèi)壁 固定有金屬薄膜，此薄膜構(gòu)成了音叉的激勵(接收)電極，由于這些孔和缺口 使激勵(接收)電極的距離變小，因此有效地增大激勵(接收)電場強度，提 高了激勵(接收)效率，降低了串聯(lián)等效阻抗，增大了音叉?zhèn)鞲衅鞯闹C振品質(zhì) 因數(shù)，所以提高了傳感器的溫度分辨率同時還增強了抗干擾能力；本實用新型 采用雙轉(zhuǎn)角切型的石英晶體材料ZYtW(115。/ (5-20°)，因此以此種材料制作的 傳感器不僅更容易獲得高技術(shù)指標，而且其設(shè)計自由度也更大，可以滿足眾多 測溫場合的要求。

圖1是背景技術(shù)中的己有溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是具體實施方式一所述的諧振式石英晶體溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是圖2的A-A剖視 圖，圖4是具體實施方式
五所述的音叉上多個孔為圓形盲 L、缺口為半圓形的 諧振式石英晶體溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是圖4的B-B剖視圖，圖6 是具體實施方式
五所述的音叉上多個孔為矩形通孔、缺口為矩形的諧振式石英 晶體溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖7是圖6的C-C剖視圖，圖8是具體實施 方式五所述的音叉上多個孔為矩形盲孔、缺口為矩形的諧振式石英晶體溫度傳 感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖9是圖8的D-D剖視圖，圖10是具體實施方式
五所述 的音叉上多個孔為橢圓形通孔、缺口為圓弧形的諧振式石英晶體溫度傳感器的 結(jié)構(gòu)示意圖，圖11是圖10的E-E剖視圖，圖12是具體實施方式
五所述的音 叉上多個孔為矩形橢圓形盲孔、缺口為圓弧形的諧振式石英晶體溫度傳感器的 結(jié)構(gòu)示意圖，圖13是圖12的F-F剖視圖，圖14是具體實施方式
七所述的諧 振式石英晶體溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖15是圖14的G-G剖視圖，圖16 是具體實施方式
八所述的諧振式石英晶體溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖17是
圖16的H-H剖視圖。
具體實施方式

具體實施方式
一結(jié)合圖2、圖3說明本具體實施方式
，本實施方式所述 的一種諧振式石英晶體溫度傳感器，它由音叉3、第一管腳4、第二管腳5、 管座6、管帽8、玻璃密封料7、第一電極1和第二電極2組成，音叉3位于 管帽8中且與管帽8的內(nèi)側(cè)壁不接觸，第一管腳4的一端與音叉基礎(chǔ)3-3的末 端固定連接，第二管腳4的一端與音叉基礎(chǔ)3-3的末端固定連接，第一管腳4 與第二管腳5相互平行且以音叉3的中心線對稱，管座6與管帽8的開口端連 接且使管帽8內(nèi)形成密封的空間，管座6上有兩個通孔，第一管腳4的另一端 和第二管腳5的另一端分別穿過管座6上的兩個通孔延伸出管帽8，第一管腳 4與管座6上的通孔之間和第二管腳5與管座6上的通孔之間使用玻璃密封料 7密封，第一電極1分布于音叉3的第一叉臂3-1的前表面、后表面和第二叉 臂3-2的側(cè)壁，第二電極l分布于音叉3的第二叉臂3-2的前表面、后表面和 第一叉臂3-L的側(cè)壁，音叉3的表面開有多個孔9，所述多個孔9以音叉3的 中心線對稱分布，位于第一叉臂3-l表面上的孔9的內(nèi)壁固定有金屬膜，所述 金屬膜與第一電極1連接，位于所述第二叉臂3-2表面上的孔9的內(nèi)壁固定有 金屬膜，所述金屬膜與第二電極2連接，音叉3的側(cè)壁開有多個缺口 10，所 述多個缺口 10以音叉3的中心線對稱，位于第一叉臂3-l側(cè)壁上的缺口 10和 位于音叉基礎(chǔ)3-3的左側(cè)壁的缺口 10的內(nèi)壁均固定有金屬膜，并且所述金屬 膜與第二電極2連接，位于第二叉臂3-2上的缺口 10和位于音叉基礎(chǔ)3-3的 右側(cè)壁上的缺口 10的內(nèi)壁均固定有金屬膜，并且所述金屬膜與第一電極1連 接，音叉3是雙轉(zhuǎn)角切型的石英晶片。
本實施方式所述雙轉(zhuǎn)角切型的石英晶體為ZYtW(115。/ (5-20°)。
本實施方式在不改變常規(guī)音叉的外形尺寸的條件下，就能夠提高傳感器的 溫度分辨率，改善其響應速度。并且在采用光刻法工藝制作石英音叉?zhèn)鞲衅鲿r， 由于在音叉叉臂與音叉基礎(chǔ)連接處制作了通孔或盲孔，因此還能夠解決光刻中 由于各向異性腐蝕產(chǎn)生的"殘缺"、"孤島"等刻蝕缺陷，使光刻質(zhì)量有所提高， 導致其振動模式和振動狀態(tài)更接近理論值。
具體實施方式
二:本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的一種諧振式石 英晶體溫度傳感器的區(qū)別在于，所述位于音叉3上的多個孔9均為通孔。
具體實施方式
三:本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的一種諧振式石 英晶體溫度傳感器的區(qū)別在于，所述位于音叉3上的多個孔9均為盲孔。
具體實施方式
四本具體實施方式
與具體實施方式
一所述的一種諧振式石 英晶體溫度傳感器，其特征在于所述位于音叉3上的多個孔9為通口或盲孔的 任意組合。
具體實施方式
五結(jié)合圖2至圖13說明本具體實施方式
。本具體實施方 式與具體實施方式
一、二、三或四所述的一種諧振式石英晶體溫度傳感器的區(qū)
別在于，所述位于音叉3上的多個孔9的形狀均為圓形、矩形或橢圓形，所述 位于音叉3上的多個缺口 IO的形狀均為半圓形、矩型或圓弧型。
如圖2和圖3所示，位于音叉3上的多個孔9均為通孔，并且形狀均為圓 形；位于音叉3上的多個缺口 IO的形狀均為半圓形。
如圖4和圖5所示，位于音叉3上的多個孔9均為盲孔，并且形狀均為圓 形；位于音叉3上的多個缺口 IO的形狀均為半圓形。
如圖6和圖7所示，位于音叉3上的多個孔9均為通孔，并且形狀均為矩 形；位于音叉3上的多個缺口 10的形狀均為矩形。
如圖8和圖9所示，位于音叉3上的多個孔9均為盲孔，并且形狀均為矩 形；位于音叉3上的多個缺口 IO的形狀均為矩形。
如圖10和圖11所示，位于音叉3上的多個孔9均為通孔，并且形狀均為 橢圓形；位于音叉3上的多個缺口 IO的形狀均為圓弧形。
如圖12和圖13所示，位于音叉3上的多個孔9均為盲孔，并且形狀均為 橢圓形；位于音叉3上的多個缺口 H)的形狀均為圓弧形。
具體實施方式
六本具體實施方式
與具體實施方式
一、二、三或四所述的 一種諧振式石英晶體溫度傳感器的區(qū)別在于，所述多個孔9的形狀為圓形、矩 形和橢圓形中的任意兩種或三種的組合，位于音叉3上的多個缺口 10的形狀 為半圓形、矩型和圓弧型中的任意兩種或三種的組合。
具體實施方式
七結(jié)合圖14和圖15說明本具體實施方式
，本具體實施方 式與具體實施方式
二所述的一種諧振式石英晶體溫度傳感器的區(qū)別在于所述
位于音叉3上的多個孔9的形狀均為長圓形(兩個長邊等長且相互平行，兩個短邊為相對的圓弧形)；所述位于音叉3上的多個缺口 10的形狀均為長圓弧形
(長邊是直線，兩個短邊是相對的圓弧形)。
具體實施方式
八結(jié)合圖16和圖17說明本具體實施方式
，本具體實施方 式與具體實施方式
三所述的一種諧振式石英晶體溫度傳感器的區(qū)別在于所述 位于音叉3上的多個孔9的形狀均為長圓形(兩個長邊等長且相互平行，兩個 短邊為相對的圓弧形)；所述位于音叉3上的多個缺口 10的形狀均為長圓弧形
(長邊是直線，兩個短邊是相對的圓弧形)。
權(quán)利要求1、一種諧振式石英晶體溫度傳感器，它由音叉(3)、第一管腳(4)、第二管腳(5)、管座(6)、管帽(8)、玻璃密封料(7)、第一電極(1)和第二電極(2)組成，音叉(3)位于管帽(8)中且與管帽(8)的內(nèi)側(cè)壁不接觸，第一管腳(4)的一端與音叉基礎(chǔ)(3-3)的末端固定連接，第二管腳(4)的一端與音叉基礎(chǔ)(3-3)的末端固定連接，第一管腳(4)與第二管腳(5)相互平行且以音叉(3)的中心線對稱，管座(6)與管帽(8)的開口端連接且使管帽(8)內(nèi)形成密封的空間，管座(6)上有兩個通孔，第一管腳(4)的另一端和第二管腳(5)的另一端分別穿過管座(6)上的兩個通孔延伸出管帽(8)，第一管腳(4)與管座(6)上的通孔之間和第二管腳(5)與管座(6)上的通孔之間使用玻璃密封料(7)密封，第一電極(1)分布于音叉(3)的第一叉臂(3-1)的前表面、后表面和第二叉臂(3-2)的左、右側(cè)壁，第二電極(1)分布于音叉(3)的第二叉臂(3-2)的前表面、后表面和第一叉臂(3-1)的左、右側(cè)壁，其特征是音叉(3)的表面開有多個孔(9)，所述多個孔(9)以音叉(3)的中心線對稱分布，位于第一叉臂(3-1)表面上的孔(9)的內(nèi)壁固定有金屬膜，所述金屬膜與第一電極(1)連接，位于所述第二叉臂(3-2)表面上的孔(9)的內(nèi)壁固定有金屬膜，所述金屬膜與第二電極(2)連接，音叉(3)的側(cè)壁開有多個缺口(10)，所述多個缺口(10)以音叉(3)的中心線對稱，位于第一叉臂(3-1)側(cè)壁上的缺口(10)和位于音叉基礎(chǔ)(3-3)的左側(cè)壁的缺口(10)的內(nèi)壁均固定有金屬膜，并且所述金屬膜與第二電極(2)連接，位于第二叉臂(3-2)上的缺口(10)和位于音叉基礎(chǔ)(3-3)的右側(cè)壁上的缺口(10)的內(nèi)壁均固定有金屬膜，并且所述金屬膜與第一電極(1)連接，音叉(3)是雙轉(zhuǎn)角切型的石英晶片。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振式石英晶體溫度傳感器，其特征在于 所述多個孔(9)均為通孔。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振式石英晶體溫度傳感器，其特征在于 所述多個孔(9)均為盲孔。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種諧振式石英晶體溫度傳感器，其特征在于 所述多個孔(9)為通口或盲孔的組合。
5、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3或4所述的一種諧振式石英晶體溫度傳感器， 其特征在于所述多個孔(9)的形狀均為圓形、矩形或橢圓形，位于音叉(3) 上的多個缺口 (10)的形狀均為半圓形、矩型或圓弧型。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l、 2、 3或4所述的一種諧振式石英晶體溫度傳感器， 其特征在于所述多個孔(9)的形狀為圓形、矩形和橢圓形中的兩種或三種的 組合，位于音叉(3)上的多個缺口 (10)的形狀為半圓形、矩型和圓弧型中 的兩種或三種的組合。
7、 根據(jù)權(quán)利1要求所述的一種諧振式石英晶體溫度傳感器，其特征在于 所述雙轉(zhuǎn)角切型的石英晶體為ZYtW115°/5~20°。
專利摘要一種諧振式石英晶體溫度傳感器，它涉及一種光機電一體化的溫度傳感器。本實用新型克服了現(xiàn)有石英音叉溫度傳感器響應時間長、溫度分辨率低、抗干擾能力差以及無法滿足各個測溫場合的缺點。本實用新型的音叉表面開有以音叉的中心線對稱分布的多個孔，位于第一叉臂上的孔的內(nèi)壁固定有與第一電極連接的金屬膜，位于第二叉臂上的孔的內(nèi)壁固定有與第二電極連接的金屬膜，音叉的側(cè)壁開有以音叉的中心線對稱的多個缺口，位于第一叉臂側(cè)壁上的缺口和位于音叉基礎(chǔ)的左側(cè)壁的缺口的內(nèi)壁均固定有與第二電極連接的金屬膜，位于第二叉臂上的缺口和位于音叉基礎(chǔ)的右側(cè)壁上的缺口的內(nèi)壁均固定有與第一電極連接的金屬膜。本實用新型可以滿足眾多測溫場合的需要。
文檔編號G01K7/32GK201314848SQ20082009135
公開日2009年9月23日 申請日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者江 林 申請人:哈爾濱龍成智能儀表公司