单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器制造技术

本发明专利技术涉及真空传感技术领域，且公开了一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，由五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片、石英真空敏感谐振器管座和石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽构成，所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片置于所述石英真空敏感谐振器管座和所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽所构成的真空敏感谐振器封装部件内，(yxtl)

【技术实现步骤摘要】
单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器


[0001]本专利技术涉及真空传感
，它涉及一种谐振式石英音叉真空敏感谐振器，特别涉及一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器。

技术介绍

[0002]近年崭露头角的谐振式石英音叉真空传感器颇具有生命力。它的核心部件——石英音叉真空敏感谐振器主要有两种形式，第一种为单闭端厚度弯曲模二叉臂石英音叉真空敏感谐振器,如中国专利CN201710742649.5所使用的敏感元件，第二种为双闭端厚度弯曲模二叉臂石英音叉真空敏感谐振器，如中国专利CN103940548所使用的敏感元件。遗憾的是目前它存在以下不足：
[0003]1)灵敏度有待提高
[0004]石英音叉真空敏感谐振器的工作原理是利用真空中残存气体粘性和质量加载产生的阻尼导致音叉动态电阻Z变化的阻抗型真空传感器。无论单闭端石英音叉式,例如CN103940548还是双闭端石英音叉，例如CN103940548都是采用厚度弯曲振动模式，其音叉的叉臂厚度t比较小，尤其是双闭端石英音叉大都采用湿法刻蚀技术制作，其厚度通常为0.04～0.10mm，与真空中残存气体的摩擦和阻尼比较小。提高灵敏度，现在的方法有三：
[0005]第一个方法是增加石英音叉的叉臂长度L；这将导致频率降低，为了保持原频率，必须大幅度增加叉臂宽度B，将使石英音叉形体制作的相对误差比率劣化，工艺难度增大。尤其是受到当前双面曝光设备和石英各向腐蚀工艺技术的限制，提高其灵敏度比较困难。第二个方法是增大叉臂厚度t，可是受到石英湿法刻蚀工艺的纵横向腐蚀速率差异大的约束，石英音叉厚度t超过0.12mm时，其侧蚀现象和残岛缺陷严重，明显地影响其敏感特性。第三个方法增加叉臂宽度B，这将导致频率升高，体积增大。为了保持原频率，必须减少L。总之，受到目前工艺设备，特别是双面石英光刻机要求必须同时实现大面积曝光和高分辨率。此外，石英光刻工艺还涉及纯金膜的高分辨刻蚀问题。因此，提高灵敏度，困难重重。
[0006]2)量程下限需要拓宽，温度稳定性急需改善
[0007]石英音叉真空敏感谐振器的测量下限并不是完全由Z的变化量决定的，还取决于温度的变化、Z0的电噪声以及传感器的使用时间，即所谓的“温飘”和“时飘”。换言之，拓宽工作温度范围的同时还要改善温度稳定性。实验表明，在10～1Pa真空范围内，其(Z
‑
Z0)等于数千欧姆，而真空范围为1Pa～0.1Pa时，则(Z
‑
Z0)却仅为数十欧姆。即随着真空度的提高，(Z
‑
Z0)逐渐变小。遗憾的是，倘若温度在
‑
20～60℃范围改变，那么其Z0可能变化数千欧姆。显然在较高真空范围，Z0的温度误差就上升为主要矛盾。通常，Z0的温度系数为10～20Ω/℃,可是在压力低于102Pa时，温度每变化10℃，其压力误差为百分之几，而在较高压力下，例如1个大气压下，即使温度变化50℃，其压力误差也仅为1％，如果温度变化100℃，那么其压力误差也仅为2％。即温度误差已成为扩展QRVS量程下限的技术瓶颈。
[0008]3金属电极对Z0特性不良影响的减少与消除
[0009]金属电极的材质、膜厚控制及工艺质量将引起音叉质量负载和静态电阻R0的变
化，此外电极的吸潮、氧化、腐蚀、老化都能引起其Z0和R0的改变。金属电极易被活性气体，例如活性氧、氯、氟气氧化或腐蚀，导致Z0和R0变大。实验表明，置于氯、氟气氛的石英音叉，只要1个星期左右的时间，Z0和R0就可能增加1.5～2倍。
[0010]4长期稳定性有待提高
[0011]粉尘、油污等进入了真空传感器，将降低了其准确度和长期稳定性。此外双闭端厚度弯曲模石英音叉谐振器的粘结剂引进的蠕变、热应力严重地降低了准确度和长期稳定性。
[0012]综上所述，现有的石英真空传感器、石英音叉真空敏感谐振器迫切需要提升它的灵敏度，改善其温度稳定性和时间稳定性，加宽它的工作温度范围以及提升其标定、维修和更换器件操作的便利性。

技术实现思路

[0013]针本专利技术的目的是克服现有石英音叉真空敏感谐振器的缺点，提出一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，拓宽现有石英音叉真空敏感谐振器的测量范围下限，提高其真空测量灵敏度，改善它的温度稳定性和时间稳定性。本专利技术的技术方案如下：
[0014]一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，由五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片、石英真空敏感谐振器管座和石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽构成，所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片置于所述石英真空敏感谐振器管座和所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽所构成的真空敏感谐振器封装部件内。
[0015]所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片的公共重叠基区的两侧设有两枚与五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片同样切型石英晶体的一体化突出支撑梁，其切型是(yxtl)
‑
24
°
～
‑
50
°
/5
°
～15
°
石英晶体，两个支撑梁分别置于所述第一条形纵向槽和第二条形纵向槽内，且支撑梁与条形纵向槽结合成一体结构，两个支撑梁通过金属汇流条与管脚电连接。
[0016]所述的石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽位于所述可伐合金
‑
——玻璃管座底盘和科伐合金侧壁一体结构的上端，所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩与所述石英真空敏感谐振器管座过盈配合，所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩包围第一条形槽和第二条形槽，使所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片与周边环境隔离。
[0017]本专利技术在国际上首次使用了面弯曲振動模式作为石英音叉真空敏感谐振器的工作模式。它不仅最大限度地强化了与真空中的残存气体摩擦和质量加载效应，大幅度地提升了真空敏感灵敏度，而且把常规石英音叉真空敏感谐振器要求高精密加工叉臂的宽度尺寸的令人头痛的工艺问题转换为高精密加工厚度尺寸的一种易解决问题。目前各国的石英音叉厚度尺寸亚微米加工技术已经很成熟，从而绕过当前的工艺难点，柳暗花明又一村，解决了石英传感器行业存在的一大难题。
[0018]面弯曲振动模石英音叉谐振器与传统的厚度弯曲模石英音叉谐振器是一对孪生兄弟，后者是人们熟知的一种石英音叉工作模式，在传感器行业已经崭露头角多年，有的已经商品化，例如单闭端谐振式石英音叉温度传感器、双闭端石英音叉压力传感器等。遗憾的是利用面弯曲振动模石英音叉谐振器的传感器技术却至今无人问津。它的缺点如下：
[0019](1)面弯曲振动模石英音叉真空敏感谐振器的形体及其激励电极结构复杂
[0020]目前的单闭端厚度弯曲模二叉臂石英音叉真空敏感谐振器的石英音叉之外形呈英文“U”字形，通常叉臂数量大都为偶数——二叉臂。其叉臂一端是固定的，而叉臂的另一端为自由端，即所谓的“单闭端结构”。它采用厚度弯曲模式振动，即各叉臂之自由端都在音叉的厚度面内进行弯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器由五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片、石英真空敏感谐振器管座和石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽构成，所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片置于所述石英真空敏感谐振器管座和所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽所构成的真空敏感谐振器封装部件内；所述石英真空敏感谐振器管座包括可伐合金——玻璃管座底盘、科伐合金管座侧壁、绝缘玻璃体以及均匀分布与所述绝缘玻璃体内的第一管脚、第二管脚和第三管脚，所述可伐合金——玻璃管座底盘和科伐合金侧壁是一体的结构，科伐合金侧壁位于可伐合金——玻璃管座底盘之上，所述科伐合金管座侧壁的侧壁上边缘的两端分别设有第一条形纵向槽和第二条形纵向槽，所述玻璃绝缘体设置于所述可伐合金侧壁的包围区域内，所述第一管脚、第二管脚和第三管脚皆由镀金的科伐合金构成；所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片的公共重叠基区的两侧设有两枚与五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片同样切型石英晶体的一体化突出支撑梁，其切型是(yxtl)
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石英晶体，两个支撑梁分别置于所述第一条形纵向槽和第二条形纵向槽内，且支撑梁与条形纵向槽结合成一体结构，两个支撑梁通过金属汇流条与管脚电连接；所述的石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽位于所述可伐合金
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——玻璃管座底盘和科伐合金侧壁一体结构的上端，所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩与所述石英真空敏感谐振器管座过盈配合，所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防霉过滤罩包围第一条形槽和第二条形槽，使所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片与周边环境隔离。2.根据权利要求1所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片为第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片；所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片由两组各自具有五叉臂的石英音叉——第一组五叉臂的单闭端石英音叉和第二组五叉臂的单闭端石英音叉，并在它们自己的基区相互完全重叠或部分重叠的公共重叠基区的内发生面弯曲振动模式耦合构成的双开端音叉式石英谐振器，它的第一组五叉臂的单闭端石英音叉位于第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的上方，第二组五叉臂的单闭端石英音叉位于第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的下方，两者位于同一片石英晶片上，它们的基区相对设置，并且关于公共重叠基区的中央对称面是轴对称的；所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的公共重叠基区的左右两端分别设有两枚于其同样切型石英晶体的一体化突出支撑梁，即第一支撑梁和第二支撑梁，所述第一支撑梁和第二支撑梁分别置于所述第一条形纵向槽和第二条形纵向槽内，且支撑梁与条形纵向槽结合成一体结构；所述第一支撑梁上设有两枚相互绝缘的但可焊接导线的第一金属汇流条和第二金属汇流条，所述第二支撑梁上设有两枚相互绝缘的但可焊接导线的第三金属汇流条和第四金属汇流条，第一金属汇流条与第一管脚电连接，第三金属汇流条与第三管脚电连接，第二金属汇流条、第四金属汇流条都与第二管脚电连接，并与公共地线相连。3.根据权利要求2所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振
器，其特征在于：所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的第一组五叉臂的单闭端石英音叉包括臂宽为W1的第一叉臂、臂宽为W2的第二叉臂、臂宽为W0的第三叉臂、臂宽为W2的第四叉臂、臂宽为W1的第五叉臂；第二组五叉臂的单闭端石英音叉包括臂宽为W1的第六叉臂、臂宽为W2的第七叉臂、臂宽为W0的第八叉臂、臂宽为W2的第九叉臂、臂宽为W1的第十叉臂；第一组五叉臂的单闭端石英音叉和第二组五叉臂的单闭端石英音叉的各叉臂长度方向彼此相互平行，并且皆与石英晶体的X
′
轴方向同向，而每组五叉臂的单闭端石英音叉的叉臂宽度方向都是与石英晶体的Z〃轴方向平行，每组五叉臂的单闭端石英音叉的叉臂的厚度方向都是与石英晶体的Y
′
轴方向平行；第一组五叉臂的单闭端石英音叉与第二组五叉臂的单闭端石英音叉都是基波面弯曲振动模式工作。4.根据权利要求3所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片共有10枚叉臂，并且除了位于第一组五叉臂的单闭端石英音叉中央的第三叉臂以及位于第二组五叉臂的单闭端石英音叉中央的第八叉臂以外，第一组五叉臂的单闭端石英音叉的两个相邻叉臂以及第二组五叉臂的单闭端石英音叉的两个相邻叉臂都是成对设置，设第一组五叉臂的单闭端石英音叉之中央的第三叉臂或第二组五叉臂的单闭端石英音叉之中央的第八叉臂的叉臂的宽度为W0，则所述的叉臂W0尺寸最大；其它各枚叉臂宽度尺寸相等，并都等于(0.826～0.707)W0。5.根据权利要求4所述的一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，其特征在于：所述第一单片型面弯曲模双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器片的激励电极采用石英晶体X
′
轴的交叉场激励电极，所述的石英晶体X
′
轴的交叉场激励电极结构如下：由第一子电极和第二子电极组成的第一激励电极、由第三子电极和第四子电极组成的第二激励电极、由第五子电极和第六子电极组成的第三激励电极、由第七子电极和第八子电极组成的第四激励电极以及由第九子电极和第十子电极组成的第五激励电极分别由依次位于第一叉臂、第二叉臂、第三叉臂、第四叉臂和第五叉臂的前表面,并且依次关于第一叉臂的对称中心轴E1、第二叉臂的对称中心轴E2、第三叉臂的对称中心轴E3，第四叉臂的对称中心轴E4和第五叉臂的对称中心轴E5成轴对称关系；由第二一子电极和第二二子电极组成的第一配对激励电极、由第二三子电极和第二四子电极组成的第二配对激励电极、由第二五子电极和第二六子电极组成的第三配对激励电极、由第二七子电极和第二八子电极组成的第四配对激励电极以及由第二九子电极和第二十子电极组成的第五配对激励电极依次位于第一叉臂、第二叉臂、第三叉臂、第四叉臂和第五叉臂的后表面，并且依次关于其晶片中心面A
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A与第一激励电极、第二激励电极、第三激励电极、第四激励电极和...

【专利技术属性】
技术研发人员：林金秋，初思博，周烨，初奇伟，周佳辉，林江，
申请(专利权)人：常州奇军苑电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：