单片式石英谐振压力及温度传感器及其工艺方法技术

单片式石英谐振压力及温度传感器及其工艺方法，涉及一种压力及温度传感器。解决了现有的谐振式石英晶体压力及温度传感器体积大、工艺难度高、精密度低、稳定性差的问题。本发明专利技术采用了高稳定的力敏‑热敏石英晶体切型、高品质因数的单片式力敏‑热敏谐振器的结构、压力‑压缩力的转换结构、石英低应力封接结构和工艺，采用低应力封接结构和工艺利用了石英晶体、SiC层、单晶硅、硼硅酸盐玻璃和柯伐合金的优良弹性，配合半导体工艺实现。虽然硅和石英材料的热膨胀系数不等，利用了非晶态SiC层的缓冲作用，大幅度地减少了石英压力及温度传感器的热应力。本发明专利技术适用于作为压力及温度传感器使用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自动化技术的压电谐振传感器领域，具体涉及一种单片式石英谐振压力/温度传感器及及其工艺方法。
技术介绍
石英谐振压力传感器(简写为QPS)是一种高精密、高稳定的传感器，它具有优异的计量因子—高精度、超高分辨率、优异的长期稳定性。目前QPS的工作模式主要有3种：声体波模式(BAW)、声表面波模式(SAW)以及广义声表面波模式或广义声体波模式，例如表面横波(也称为浅声体波或掠面体波)模式。其中，量程最宽、精度最高、长期稳定性最佳的是施加径向压缩力的厚度切变振动全石英结构的QPS，目前最高水平QPS的准确度已经达到压力测量指标的极限，准确度高达0.008％F.S，压力测量范围为0.1～276Mpa或0.1～1.38Mpa，分辨率为1×10-6，可是它存在下述缺点：1)、为了能够使石英力敏谐振器、导力弹性体、压力——力变换器三者在弹性系数、温度系数匹配，采用全石英结构，即三者皆利用同一块晶体制作的，以便消除非弹性误差、热膨胀不匹配误差。目前法国的Hewlett-Packard(HP)公司、美国的Quartztronics公司、Quartzdyne公司、Schlumberger公司、Paroscientific公司等生产的QPS皆为一体化全石英晶体结构，主要适宜高温、高压、高精密测量使用。因为石英晶体是各向异性的，所以力敏石英晶体谐振器、压力—力变换器(膜片)、导力弹性体必须由同一切型、同一取向的石英晶体构成。此外，在一枚石英晶体中必须加工出达到光学级标准的导压筒以及位于其筒内部的高精密透镜式力敏谐振器，在导压筒内较深处的透镜式力敏谐振器表面上制作无寄生模式的金属激励电极、在石英导压筒内侧壁制作表面电极，并且与外电路键合点为欧姆接触等，其工艺难度颇大。我国宜春学院工学院对该结构进行了改革，降低了工艺难度，但是它却以牺牲传感器准确度和温度稳定性和长期稳定性为代价。2)、该QPS的体积较大，通常比扩散硅压力传感器大数倍以上，价格高昂，使用方法复杂，因此大大地束缚了其应用领域。3)、其石英力敏谐振器和热敏谐振器皆是分立结构，非单片式，因此被测温度值和压力值并不是同一位置、同一时刻的数值，因此无论进行压力传感器的温度补偿，还是精确测量被测体的温度和压力值，其测量准确度都存在较大的提升空间。另一种是弯曲振动模式QPS，它主要适宜绝压、低压、窄温区工作，例如俄罗斯的PKMA-1000.0型QPS使用弯曲振动模式闭端双音叉谐振器敏感压力，利用扭曲振动模式的音叉敏感温度。中电集团49所也开展了该模式闭端双音叉谐振器型压力传感器研究。该类压力传感器的缺点是：1)、导压装置、压力—力变换器是膜盒或玻登管。其力敏谐振器并不是直接敏感被测压力，而是通过第三者—膜盒或玻登管，不仅增加了响应时间，而且降低了压力测量的准确度、稳定性。2)、弯曲振动模式QPS的分辨率、温度稳定性远小于厚度切变振动模式QPS。为了实现采用弯曲振动模式的闭端双音叉力敏谐振器的光刻和化学刻蚀，目前世界各国全部采用频温特性为抛物线的Z切型或Z+2切型石英晶体，其频温特性为二次曲线,远不如三次曲线的AT切型，显然，前者的压力分辨率、温度稳定性、长期稳定性远比后者逊色。3)、闭端双音叉力敏谐振器与导力弹性体、压力—力变换器(膜片)的无应力封接技术是影响QPS准确度、长期稳定性和温度稳定性的最大瓶颈工艺。目前还没有找到与Z切型或Z+2切型双音叉力敏谐振器完全匹配的封接材料。此外，目前世界各国的石英谐振压力/温度传感器几乎都是非单片式结构。换言之，几乎皆为双片或多片式结构，即其中一片或几片用于敏感压力特性，另外一片或几片用于敏感温度特性。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有的谐振式石英晶体压力/温度传感器体积大、工艺难度高、温度稳定性和时间稳定性进一步提升的问题，因此提供了一种单片式石英谐振压力/温度传感器及及其工艺方法。。本专利技术所述的单片式石英谐振压力/温度传感器，它包括压力—压缩力变换器、传感器壳体1、单片式热敏谐振器3、单片式力敏传感器4、基准压力柱8、压力接口9和底座11；压力—压缩力变换器包括两根压力传导柱5和导压弹性膜片2；两根压力传导柱5的下端均固定在导压弹性膜片2的上表面，且与导压弹性膜片2构成一体件；基准压力柱8为顶端具有阶梯缺口的中空管状结构，基准压力柱8的底端为压力接口9；基准压力柱8的顶部固定在导压弹性膜片2下表面，且位于导压弹性膜片2的中心；基准压力柱8的侧壁开有四个圆形通孔6，所述四个圆形通孔6通过沿基准压力柱8的中线中心对称，且四个圆形通孔6临近基准压力柱8的顶端；基准压力柱8的下部穿过底座11中心；导压弹性膜片2扣设在底座11的上侧，且导压弹性膜片2与底座11之间密闭连接构成压力仓；传感器壳体1扣设在底座11的上侧，导压弹性膜片2位于传感器壳体1与底座11之间；两根压力传导柱5、单片式力敏传感器4和单片式热敏谐振器3均位于导压弹性膜片2与传感器壳体1之间；两根压力传导柱5位于基准压力柱8延长线相对的两侧；且基准压力柱8延长线与两根压力传导柱5之间的距离相等；每根压力传导柱5均为顶端具有半切头缺口的圆柱体；单片式力敏传感器4的两端分别固定在两根压力传导柱5的半切头缺口内；单片式热敏谐振器3固定在单片式力敏传感器4上；当流体压力通过基准压力柱8的压力接口9进入压力仓并且压力高于一个大气压时，导压弹性膜片2产生上凸状变形，由于基准压力柱8与导压弹性膜片2之间的固定牵引作用，两根压力传导柱5均产生向内的收缩形变，向两根压力传导柱5之间的单片式力敏传感器4施加水平方向的力增大,并且压力仓的压力越高，施加给水平方向的力越大；当流体压力通过基准压力柱8的压力接口9进入压力仓并且压力低于一个大气压时，导压弹性膜片2的形变凸起变小，两根压力传导柱5恢复至竖直方向，向两根压力传导柱5之间的单片式力敏传感器4施加的水平方向的力变小，并且压力仓的压力越低，施加给水平方向的力越小；单片式石英谐振压力/温度传感器中单片式力敏传感器的工艺方法，该方法的具体步骤为：步骤一、利用光刻和各向异性刻蚀法制作2片形状近似于半圆形的单晶硅结构件；步骤二、利用半导体工艺使单晶硅结构件上表面和侧面覆上厚度为80μm左右的非晶态SiC层；步骤三、利用异质外延法在非晶态SiC层上覆盖厚度小于10μm的SiO2层；步骤四、利用氧等离子表面活性化法在常温条件下使覆有SiO2层的单晶硅结构件与力敏谐振器键合构成一体化力敏结构件；步骤五、采用静电封接法在一体化力敏结构件两端均封接半圆形硼硅酸盐玻璃片，再用低温玻璃粉使硼硅酸盐玻璃片与压力传导柱烧结在一起，形成刚性连接的无应力封接体。本专利技术的力敏谐振器置于2根压力传导柱的的相对阶梯缺口之间，并利用无应力封接工艺键合，构成简支结构石英晶体复合梁。基准压力柱的上端固定在2根压力传导柱之间的连接件上，起到牵引该连接件作用。而基准压力柱的下端被紧固在底座上，防止连接件移动。在该基准压力柱的上端附近具有4个通孔，以便让被测压力媒质能够流入压力仓内。当压力作用于导压弹性膜片时，则膜片产生上凸状变形，同时借助基准压力柱的牵引配合，导致2根压力传导柱分别产生向内的收缩形变，从而把被测压力变为压缩力施加给MFTSR的力敏谐振器，其压缩力方本文档来自技高网...

【技术保护点】
单片式石英谐振压力/温度传感器，其特征是：它包括压力—压缩力变换器、传感器壳体(1)、单片式热敏谐振器(3)、单片式力敏传感器(4)、基准压力柱(8)、压力接口(9)和底座(11)；压力—压缩力变换器包括两根压力传导柱(5)和导压弹性膜片(2)；两根压力传导柱(5)的下端均固定在导压弹性膜片(2)的上表面，且与导压弹性膜片(2)构成一体件；基准压力柱(8)为顶端具有阶梯缺口的中空管状结构，基准压力柱(8)的底端为压力接口(9)；基准压力柱(8)的顶部固定在导压弹性膜片(2)下表面，且位于导压弹性膜片(2)的中心；基准压力柱(8)的侧壁开有四个圆形通孔(6)，所述四个圆形通孔(6)通过沿基准压力柱(8)的中线中心对称，且四个圆形通孔(6)临近基准压力柱(8)的顶端；基准压力柱(8)的下部穿过底座(11)中心；导压弹性膜片(2)扣设在底座(11)的上侧，且导压弹性膜片(2)与底座(11)之间密闭连接构成压力仓；传感器壳体(1)扣设在底座(11)的上侧，导压弹性膜片(2)位于传感器壳体(1)与底座(11)之间；两根压力传导柱(5)、单片式力敏传感器(4)和单片式热敏谐振器(3)均位于导压弹性膜片(2)与传感器壳体(1)之间；两根压力传导柱(5)位于基准压力柱(8)延长线相对的两侧；且基准压力柱(8)延长线与两根压力传导柱(5)之间的距离相等；每根压力传导柱(5)均为顶端具有半切头缺口的圆柱体；单片式力敏传感器(4)的两端分别固定在两根压力传导柱(5)的半切头缺口内；单片式热敏谐振器(3)固定在单片式力敏传感器(4)上；当流体压力通过基准压力柱(8)的压力接口(9)进入压力仓并且压力高于一个大气压时，导压弹性膜片(2)产生上凸状变形，由于基准压力柱(8)与导压弹性膜片(2)之间的固定牵引作用，两根压力传导柱(5)均产生向内的收缩形变，向两根压力传导柱(5)之间的单片式力敏传感器(4)施加水平方向的力增大,并且压力仓的压力越高，施加给水平方向的力越大；当流体压力通过基准压力柱(8)的压力接口(9)进入压力仓并且压力低于一个大气压时，导压弹性膜片(2)的形变凸起变小，两根压力传导柱(5)恢复至竖直方向，向两根压力传导柱(5)之间的单片式力敏传感器(4)施加的水平方向的力变小，并且压力仓的压力越低，施加给水平方向的力越小。...

【技术特征摘要】
1.单片式石英谐振压力/温度传感器，其特征是：它包括压力—压缩力变换器、传感器壳体(1)、单片式热敏谐振器(3)、单片式力敏传感器(4)、基准压力柱(8)、压力接口(9)和底座(11)；压力—压缩力变换器包括两根压力传导柱(5)和导压弹性膜片(2)；两根压力传导柱(5)的下端均固定在导压弹性膜片(2)的上表面，且与导压弹性膜片(2)构成一体件；基准压力柱(8)为顶端具有阶梯缺口的中空管状结构，基准压力柱(8)的底端为压力接口(9)；基准压力柱(8)的顶部固定在导压弹性膜片(2)下表面，且位于导压弹性膜片(2)的中心；基准压力柱(8)的侧壁开有四个圆形通孔(6)，所述四个圆形通孔(6)通过沿基准压力柱(8)的中线中心对称，且四个圆形通孔(6)临近基准压力柱(8)的顶端；基准压力柱(8)的下部穿过底座(11)中心；导压弹性膜片(2)扣设在底座(11)的上侧，且导压弹性膜片(2)与底座(11)之间密闭连接构成压力仓；传感器壳体(1)扣设在底座(11)的上侧，导压弹性膜片(2)位于传感器壳体(1)与底座(11)之间；两根压力传导柱(5)、单片式力敏传感器(4)和单片式热敏谐振器(3)均位于导压弹性膜片(2)与传感器壳体(1)之间；两根压力传导柱(5)位于基准压力柱(8)延长线相对的两侧；且基准压力柱(8)延长线与两根压力传导柱(5)之间的距离相等；每根压力传导柱(5)均为顶端具有半切头缺口的圆柱体；单片式力敏传感器(4)的两端分别固定在两根压力传导柱(5)的半切头缺口内；单片式热敏谐振器(3)固定在单片式力敏传感器(4)上；当流体压力通过基准压力柱(8)的压力接口(9)进入压力仓并且压力高于一个大气压时，导压弹性膜片(2)产生上凸状变形，由于基准压力柱(8)与导压弹性膜片(2)之间的固定牵引作用，两根压力传导柱(5)均产生向内的收缩形变，向两根压力传导柱(5)之间的单片式力敏传感器(4)施加水平方向的力增大,并且压力仓的压力越高，施加给水平方向的力越大；当流体压力通过基准压力柱(8)的压力接口(9)进入压力仓并且压力低于一个大气压时，导压弹性膜片(2)的形变凸起变小，两根压力传导柱(5)恢复至竖直方向，向两根压力传导柱(5)之间的单片式力敏传感器(4)施加的水平方向的力变小，并且压力仓的压力越低，施加给水平方向的力越小。2.根据权利要求1所述的单片式石英谐振压力/温度传感器，其特征是：它还包括密封圈(...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋国庆，吴亚林，姚东媛，邹向光，谢胜秋，王凡，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第四十九研究所，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23