石英晶体谐振式绝对压力传感器研制

　谐振式石英晶体压力传感器以其高精度，良好的长期稳定性广泛应用于气压与高度测量、压力自动校准以及精密过程控制等。这种高精度石英晶体压力传感器在结构形式上主要有2种形式，一种是厚膜切变模式，将石英晶体加工成透镜模式，在透镜上制作电极，利用其振动频率与所受压力的变化关系来检测压力的大小，这种传感器对透镜和电极的加工工艺要求很高，产品制造难度大，现已逐渐被其他结构取代；另一种是以石英谐振梁为力敏元件，用波登管或金属膜盒来感受压力，并将压力转换成力作用到谐振梁上，谐振梁的频率随作用压力变化而变化，利用谐振梁的频率变化来检测被测压力的大小。这种压力传感器结构较为复杂，对材料和制造工艺都要求很高，目前，国际上仅有少数几家公司掌握了其关键技术，能够批量提供产品。针对该传感器的制造难题，本文提出了研制全石英压力敏感元件的压力传感器，用石英弹性膜片替代复杂的金属弹性元件，降低制作难度，实现传感器小型化。
  　　1传感器的结构与工作原理
  　　石英谐振式压力传感器主要由压力敏感元件和激振电路组成。传感器的结构如图1所示，包括压力接口、压力敏感元件和壳体等。压力敏感元件是传感器的核心，它包括弹性膜片和音叉式力敏谐振器。当压力作用于弹性膜片时，使膜片产生变形，导致膜片沿直径方向产生拉力或压力，并将该力作用到谐振梁上，谐振梁的频率随作用力变化而变化，利用谐振梁的频率变化来检测被测压力的大小。压力敏感元件各部均由石英晶体材料制成。石英力敏谐振器通过光刻和化学腐蚀工艺加工完成，并采用烧结工艺装配到弹性膜片上，然后，在真空条件下，将弹性膜片烧结到已研磨出空腔的基座上，在完成基座与弹性膜片烧结同时也形成了真空参考力腔，这即符合制作绝压传感器的设计要求，又满足了谐振器的真空工作环境需要。
  
  　　式中 L，t和b分别为谐振梁的长、宽和厚度；E和p分别为弹性模量和密度；f0为中心谐振频率。在一阶振动模式，两端固定条件下，常数a0和as分别为1.026和0.294。
  
  　　2石英力敏谐振器制作
  　　石英力敏谐振器是由2个外侧的支撑梁和2个内侧谐振梁构成，电极分布在谐振梁上，且分布在谐振梁的上下表面与侧面，支撑梁上没有电极。利用铜镀层掩蔽，采用各向异性腐蚀液对石英晶体进行刻蚀。采用旋转蒸发方式蒸电极层，侧面电极通过增加特制侧面光源进行光刻，这样，就解决了侧电极制作难题。完成光刻的谐振器需要进行温度循环处理，减少残余应力。力敏谐振器的工艺流程如图4所示。
  
  　　通过上述过程制出梁的宽度为190μm，2根梁的间距为160μm，梁的长度为4.96 mm的力敏谐振器，其量程为0～150 gf，中心频率为(40±4)kHz，精度为0.05％，满量程输出为(1.2±0.24)kHz。
  　　3压力敏感元件装配
  　　传感器压力敏感元件结构如图5所示。采用研磨方法加工出压力敏感元件基座的圆形空腔体，由于圆形空腔体的直径与弹性膜片厚度决定了传感器的量程，因此，在加工过程中应严格控制腔体直径。如腔体直径尺寸偏大，则降低量程；反之，则会使量程增大。对研磨后的表面采用各向同性腐蚀液来去除表面由于研磨导致的损伤层，减少机械残余应力。
  
  　　力敏谐振器与弹性膜片用玻璃粉烧结到一起，使其形成刚性连接。由于力敏谐振器在膜片上的位置直接影响传感器的输出与精度，为此，在烧结过程中采用专用夹具防止谐振器在烧结过程中产生滑移，这也是压力敏感元件制作过程中的关键工艺之一。
  　　基座与弹性膜片之间采用玻璃粉烧结在一起，该烧结过程是在真空条件下进行的。这样，既实现了弹性膜片与基座之间形成刚性连接，又实现了压力腔体的真空密封，从而完成了传感器的真空封装。为保证传感器的精度，在烧结过程中仍需使谐振器处于空腔的中心位置，为此，采用了专用夹具。
  　　将压力敏感元件、传感器激振电路和壳体进行装配，这样，就完成传感器的制作。
  　　4标定测试
  　　在室温条件下，对传感器施加10 V直流电压，进行静态标定，表1给出了1#传感器的典型标定数据，表2给出了2#传感器静态标定数据。
  
  
  　　从表1和表2中可以看出：传感器的满量程输出分别为1.1461kHz和1.1599kHz，用每个测量点的正反行程平均值作为标准值计算，传感器精度优于0.05％。
  　　5结束语
  　　在谐振式石英晶体绝对压力传感器研制中，采用石英晶体材料制作弹性膜片，解决了该传感器结构复杂，制作工艺难度大等技术难题。研制出的传感器具有结构简单、精度高、体积小等，其量程为0～120kPa，中心频率为(40 4)kHz，精度为0.05％，适用于高精度绝对压力测量要求。