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专利名称：一种谐振式石英晶体温度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及光机电一体化的温度传感器,特别是涉及一种谐振式温度 传感器。
背景技术：
2003年，何谨、林江等人在英国的《传感器评论》((Sensor Review vol.23 No.2,2003.PP.134~142)上发表一篇关于石英音叉温度传感器的论文《一种新型 的低成本、高技术指标的石英音叉温度传感器》(《A new low-cost high-performance quartz tuning-fork temperature sensor》)，该论文中所述的传感 器的结构如图l所示，它由音叉3、第一管脚4、第二管脚5、管座6、管帽8、 玻璃密封料7、第一电极1和第二电极2组成，音叉3位于管帽8中且与管帽 8的内侧壁不接触，第一管脚4的一端与音叉基础3-3的末端固定连接，第二 管脚4的一端与音叉基础3-3的末端固定连接，第一管脚4与第二管脚5相互 平行且以音叉3的中心线对称，管座6与管帽8的开口端连接且使管帽8内形 成密封的空间，管座6上有两个通孔，第一管脚4的另一端和第二管脚5的另 一端分别穿过管座6上的两个通孔延伸出管帽8,第一管脚4与管座6上的通 孔之间和第二管脚5与管座6上的通孔之间使用玻璃密封料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属膜22，音叉3的左侧壁固定 有第三金属膜33，第一叉臂3-l的右侧壁固定有第三一金属模331，第三金属 膜33和第三一金属模331通过位于第二金属膜22上方的第一金属膜11连接， 第一金属膜11与第二金属膜22之间绝缘，音叉3的第二叉臂3-2的前表面和 后表面固定有第五金属膜55，音叉3的右侧壁固定有第六金属膜66，第二叉 臂3-2的左侧壁固定有第六一金属膜661，第六金属膜66和第六一金属膜661 通过位于第五金属膜55上方的第四金属聘44连接，第四金属膜44与第五金 属膜55之间绝缘，第二金属膜22、第六金属膜66和第六一金属膜661构成 第一电极，并与位于音叉基础3-3底部的第二管脚5连接，第三金属膜33、第 五金属膜55和第三一金属模331构成第二电极，并与位于音叉基础3-3底部的第一管脚4连接。
这种传感器的音叉3是采用机械切叉法制作的弯曲振动模式石英片，它的
主要缺点如下 一、为了防止振动能量从支承部分向外部泄漏，提高"能阱" 效果，该传感器的音叉的基础部分体积制作得较大，使得传感器容易受外部机 械振动和冲击的干扰，传感器的响应时间较长。二、采用传统机械切叉法加工 音叉，不能够保证音叉结构的完全对称，使音叉的谐振不平衡，从而导致音叉 基础部分振动位移的变大，振动能量外泄增大，进而引起晶体谐振器的串联等
效阻抗的增大，品质因数(Q值)下降，传感器分辨率降低，抗干扰能力变差。 现有技术中大部分都是单转角切型(例如X+10。切型)的谐振式石英音叉
温度传感器，这种方法制作的传感器不仅不容易获得高技术指标，而且其设计
自由度也小，很难满足各种测温场合的要求。
实用新型内容
本实用新型是为了克服现有石英音叉温度传感器的响应时间长、温度分辨 率低、抗干扰能力差，以及无法满足各种测温场合的缺点，从而提供一种新型 的谐振式石英晶体温度传感器。
一种谐振式石英晶体温度传感器，它由音叉、第一管脚、第二管脚、管座、 管帽、玻璃密封料、第一电极和第二电极组成，音叉位于管帽中且与管帽的内 侧壁不接触，第一管脚的一端与音叉基础的末端固定连接，第二管脚的一端与 音叉基础的末端固定连接，第一管脚与第二管脚相互平行且以音叉的中心线对 称，管座与管帽的开口端连接且使管帽内形成密封的空间，管座上有两个通孔， 第一管脚的另一端和第二管脚的另一端分别穿过管座上的两个通孔延伸出管 帽，第一管脚与管座上的通孔之间和第二管脚与管座上的通孔之间使用玻璃密 封料密封，第一电极分布于音叉的第一叉臂的前表面、后表面和第二叉臂的侧 壁，第二电极分布于音叉的第二叉臂的前表面、后表面和第一叉臂的侧壁，音 叉的表面开有多个 L，所述多个孔以音叉的中心线对称分布，位于第一叉臂表 面上的孔的内壁固定有金属膜，所述金属膜与第一电极连接，位于所述第二叉 臂表面上的孔的内壁固定有金属膜，所述金属膜与第二电极连接，音叉的侧壁 开有多个缺口，所述多个缺口以音叉的中心线对称，位于第一叉臂侧壁上的缺口和位于音叉基础的左侧壁的缺口的内壁均固定有金属膜，并且所述金属膜与 第二电极连接，位于第二叉臂上的缺口和位于音叉基础的右侧壁上的缺口的内 壁均固定有金属膜，并且所述金属膜与第一电极连接，音叉是双转角切型的石 英晶片。
工作原理弯曲振动模式的谐振式温度传感器的参考谐振频率f可用下式 表示
的解。式中P是石英晶体的密度，^'22和^66是石英晶体的弹性刚度常数，K' 是取决于音叉形状因子的常数，W是音叉叉臂的宽度，L是叉臂的长度。
从式(1)可知，要加快响应速度，提高温度分辨，就必须减少音叉谐振 器的物理质量或平均密度来降低音叉叉臂的弹性刚度常数。显然，提高分辨率 和减少响应时间最简单的方法是縮小音叉传感器的物理尺寸，但是减小音叉的 外形尺寸，会带来副作用由于音叉基础部分本身的质量减少，导致振动能量 的漏泄不能被充分地抑制，因此增加了串联等效阻抗，甚至大幅度地降低了品 质因数，反而却降低了温度分辨率。若增大叉臂宽度，不仅不能降低其响应速 度，同时还会使温度分辨率有所下降。
基于以上原因，本实用新型利用光刻法、超声打孔法或激光加工法在两个 叉臂的表面分别制作形状为圆形、矩形、椭圆或长圆的通孔或盲孔，以降低叉 臂的弹性刚度常数，减少传感器的质量，通过这种方式提高温度分辨率，提高 测温响应速度。另外，利用溅射法或电子束蒸发法在通孔的四壁或盲孔的底面 和其四壁制作金属薄膜，构成音叉激励(或接收)电极，通过这种方式增大激 励(接收)电场强度，提高其激励(接收)效率，降低串联等效阻抗。而上述 两种效应的迭加，又能够进一步提高音叉传感器的品质因数，从而提高温度分 辨率。
有益效果本实用新型在两个音叉臂和音叉基础上分别设置了孔和缺口，
式中A是方程N-
2妙义* + A妙A + /g义使得在各个孔或缺口附近产生各种伸縮应变、弯曲应变，从而导致在叉臂根部 的应力发生了分散和缓冲，减小了传感器的体积同时有效地抑制了两个叉臂向 音叉基础的能量泄漏，并且提高了传感器的可靠性，增强了抗外界机械振动、 冲击能力，同时由于减少了音叉整体的质量，所以更容易实现温场平衡，提高
了传感器的响应速度；此外在两个音叉臂和音叉基础上开有的孔和缺口的内壁 固定有金属薄膜，此薄膜构成了音叉的激励(接收)电极，由于这些孔和缺口 使激励(接收)电极的距离变小，因此有效地增大激励(接收)电场强度，提 高了激励(接收)效率，降低了串联等效阻抗，增大了音叉传感器的谐振品质 因数，所以提高了传感器的温度分辨率同时还增强了抗干扰能力；本实用新型 采用双转角切型的石英晶体材料ZYtW(115。/ (5-20°)，因此以此种材料制作的 传感器不仅更容易获得高技术指标，而且其设计自由度也更大，可以满足众多 测温场合的要求。

图1是背景技术中的己有温度传感器的结构示意图，图2是具体实施方式一所述的谐振式石英晶体温度传感器的结构示意图，图3是图2的A-A剖视 图，图4是具体实施方式
五所述的音叉上多个孔为圆形盲 L、缺口为半圆形的 谐振式石英晶体温度传感器的结构示意图，图5是图4的B-B剖视图，图6 是具体实施方式
五所述的音叉上多个孔为矩形通孔、缺口为矩形的谐振式石英 晶体温度传感器的结构示意图，图7是图6的C-C剖视图，图8是具体实施 方式五所述的音叉上多个孔为矩形盲孔、缺口为矩形的谐振式石英晶体温度传 感器的结构示意图，图9是图8的D-D剖视图，图10是具体实施方式
五所述 的音叉上多个孔为椭圆形通孔、缺口为圆弧形的谐振式石英晶体温度传感器的 结构示意图，图11是图10的E-E剖视图，图12是具体实施方式
五所述的音 叉上多个孔为矩形椭圆形盲孔、缺口为圆弧形的谐振式石英晶体温度传感器的 结构示意图，图13是图12的F-F剖视图，图14是具体实施方式
七所述的谐 振式石英晶体温度传感器的结构示意图，图15是图14的G-G剖视图，图16 是具体实施方式
八所述的谐振式石英晶体温度传感器的结构示意图，图17是
图16的H-H剖视图。
具体实施方式

具体实施方式
一结合图2、图3说明本具体实施方式
，本实施方式所述 的一种谐振式石英晶体温度传感器，它由音叉3、第一管脚4、第二管脚5、 管座6、管帽8、玻璃密封料7、第一电极1和第二电极2组成，音叉3位于 管帽8中且与管帽8的内侧壁不接触，第一管脚4的一端与音叉基础3-3的末 端固定连接，第二管脚4的一端与音叉基础3-3的末端固定连接，第一管脚4 与第二管脚5相互平行且以音叉3的中心线对称，管座6与管帽8的开口端连 接且使管帽8内形成密封的空间，管座6上有两个通孔，第一管脚4的另一端 和第二管脚5的另一端分别穿过管座6上的两个通孔延伸出管帽8，第一管脚 4与管座6上的通孔之间和第二管脚5与管座6上的通孔之间使用玻璃密封料 7密封，第一电极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的侧壁，第二电极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的侧壁，音叉3的表面开有多个孔9，所述多个孔9以音叉3的 中心线对称分布，位于第一叉臂3-l表面上的孔9的内壁固定有金属膜，所述 金属膜与第一电极1连接，位于所述第二叉臂3-2表面上的孔9的内壁固定有 金属膜，所述金属膜与第二电极2连接，音叉3的侧壁开有多个缺口 10，所 述多个缺口 10以音叉3的中心线对称，位于第一叉臂3-l侧壁上的缺口 10和 位于音叉基础3-3的左侧壁的缺口 10的内壁均固定有金属膜，并且所述金属 膜与第二电极2连接，位于第二叉臂3-2上的缺口 10和位于音叉基础3-3的 右侧壁上的缺口 10的内壁均固定有金属膜，并且所述金属膜与第一电极1连 接，音叉3是双转角切型的石英晶片。
本实施方式所述双转角切型的石英晶体为ZYtW(115。/ (5-20°)。
本实施方式在不改变常规音叉的外形尺寸的条件下，就能够提高传感器的 温度分辨率，改善其响应速度。并且在采用光刻法工艺制作石英音叉传感器时， 由于在音叉叉臂与音叉基础连接处制作了通孔或盲孔，因此还能够解决光刻中 由于各向异性腐蚀产生的"残缺"、"孤岛"等刻蚀缺陷，使光刻质量有所提高， 导致其振动模式和振动状态更接近理论值。
具体实施方式
二:本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的一种谐振式石 英晶体温度传感器的区别在于，所述位于音叉3上的多个孔9均为通孔。
具体实施方式
三:本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的一种谐振式石 英晶体温度传感器的区别在于，所述位于音叉3上的多个孔9均为盲孔。
具体实施方式
四本具体实施方式
与具体实施方式
一所述的一种谐振式石 英晶体温度传感器，其特征在于所述位于音叉3上的多个孔9为通口或盲孔的 任意组合。
具体实施方式
五结合图2至图13说明本具体实施方式
。本具体实施方 式与具体实施方式
一、二、三或四所述的一种谐振式石英晶体温度传感器的区
别在于，所述位于音叉3上的多个孔9的形状均为圆形、矩形或椭圆形，所述 位于音叉3上的多个缺口 IO的形状均为半圆形、矩型或圆弧型。
如图2和图3所示，位于音叉3上的多个孔9均为通孔，并且形状均为圆 形；位于音叉3上的多个缺口 IO的形状均为半圆形。
如图4和图5所示，位于音叉3上的多个孔9均为盲孔，并且形状均为圆 形；位于音叉3上的多个缺口 IO的形状均为半圆形。
如图6和图7所示，位于音叉3上的多个孔9均为通孔，并且形状均为矩 形；位于音叉3上的多个缺口 10的形状均为矩形。
如图8和图9所示，位于音叉3上的多个孔9均为盲孔，并且形状均为矩 形；位于音叉3上的多个缺口 IO的形状均为矩形。
如图10和图11所示，位于音叉3上的多个孔9均为通孔，并且形状均为 椭圆形；位于音叉3上的多个缺口 IO的形状均为圆弧形。
如图12和图13所示，位于音叉3上的多个孔9均为盲孔，并且形状均为 椭圆形；位于音叉3上的多个缺口 H)的形状均为圆弧形。
具体实施方式
六本具体实施方式
与具体实施方式
一、二、三或四所述的 一种谐振式石英晶体温度传感器的区别在于，所述多个孔9的形状为圆形、矩 形和椭圆形中的任意两种或三种的组合，位于音叉3上的多个缺口 10的形状 为半圆形、矩型和圆弧型中的任意两种或三种的组合。
具体实施方式
七结合图14和图15说明本具体实施方式
，本具体实施方 式与具体实施方式
二所述的一种谐振式石英晶体温度传感器的区别在于所述
位于音叉3上的多个孔9的形状均为长圆形(两个长边等长且相互平行，两个短边为相对的圆弧形)；所述位于音叉3上的多个缺口 10的形状均为长圆弧形
(长边是直线，两个短边是相对的圆弧形)。
具体实施方式
八结合图16和图17说明本具体实施方式
，本具体实施方 式与具体实施方式
三所述的一种谐振式石英晶体温度传感器的区别在于所述 位于音叉3上的多个孔9的形状均为长圆形(两个长边等长且相互平行，两个 短边为相对的圆弧形)；所述位于音叉3上的多个缺口 10的形状均为长圆弧形
(长边是直线，两个短边是相对的圆弧形)。
权利要求1、一种谐振式石英晶体温度传感器，它由音叉(3)、第一管脚(4)、第二管脚(5)、管座(6)、管帽(8)、玻璃密封料(7)、第一电极(1)和第二电极(2)组成，音叉(3)位于管帽(8)中且与管帽(8)的内侧壁不接触，第一管脚(4)的一端与音叉基础(3-3)的末端固定连接，第二管脚(4)的一端与音叉基础(3-3)的末端固定连接，第一管脚(4)与第二管脚(5)相互平行且以音叉(3)的中心线对称，管座(6)与管帽(8)的开口端连接且使管帽(8)内形成密封的空间，管座(6)上有两个通孔，第一管脚(4)的另一端和第二管脚(5)的另一端分别穿过管座(6)上的两个通孔延伸出管帽(8)，第一管脚(4)与管座(6)上的通孔之间和第二管脚(5)与管座(6)上的通孔之间使用玻璃密封料(7)密封，第一电极(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、右侧壁，第二电极(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、右侧壁，其特征是音叉(3)的表面开有多个孔(9)，所述多个孔(9)以音叉(3)的中心线对称分布，位于第一叉臂(3-1)表面上的孔(9)的内壁固定有金属膜，所述金属膜与第一电极(1)连接，位于所述第二叉臂(3-2)表面上的孔(9)的内壁固定有金属膜，所述金属膜与第二电极(2)连接，音叉(3)的侧壁开有多个缺口(10)，所述多个缺口(10)以音叉(3)的中心线对称，位于第一叉臂(3-1)侧壁上的缺口(10)和位于音叉基础(3-3)的左侧壁的缺口(10)的内壁均固定有金属膜，并且所述金属膜与第二电极(2)连接，位于第二叉臂(3-2)上的缺口(10)和位于音叉基础(3-3)的右侧壁上的缺口(10)的内壁均固定有金属膜，并且所述金属膜与第一电极(1)连接，音叉(3)是双转角切型的石英晶片。
2、 根据权利要求1所述的一种谐振式石英晶体温度传感器，其特征在于 所述多个孔(9)均为通孔。
3、 根据权利要求1所述的一种谐振式石英晶体温度传感器，其特征在于 所述多个孔(9)均为盲孔。
4、 根据权利要求1所述的一种谐振式石英晶体温度传感器，其特征在于 所述多个孔(9)为通口或盲孔的组合。
5、 根据权利要求l、 2、 3或4所述的一种谐振式石英晶体温度传感器， 其特征在于所述多个孔(9)的形状均为圆形、矩形或椭圆形，位于音叉(3) 上的多个缺口 (10)的形状均为半圆形、矩型或圆弧型。
6、 根据权利要求l、 2、 3或4所述的一种谐振式石英晶体温度传感器， 其特征在于所述多个孔(9)的形状为圆形、矩形和椭圆形中的两种或三种的 组合，位于音叉(3)上的多个缺口 (10)的形状为半圆形、矩型和圆弧型中 的两种或三种的组合。
7、 根据权利1要求所述的一种谐振式石英晶体温度传感器，其特征在于 所述双转角切型的石英晶体为ZYtW115°/5~20°。
专利摘要一种谐振式石英晶体温度传感器，它涉及一种光机电一体化的温度传感器。本实用新型克服了现有石英音叉温度传感器响应时间长、温度分辨率低、抗干扰能力差以及无法满足各个测温场合的缺点。本实用新型的音叉表面开有以音叉的中心线对称分布的多个孔，位于第一叉臂上的孔的内壁固定有与第一电极连接的金属膜，位于第二叉臂上的孔的内壁固定有与第二电极连接的金属膜，音叉的侧壁开有以音叉的中心线对称的多个缺口，位于第一叉臂侧壁上的缺口和位于音叉基础的左侧壁的缺口的内壁均固定有与第二电极连接的金属膜，位于第二叉臂上的缺口和位于音叉基础的右侧壁上的缺口的内壁均固定有与第一电极连接的金属膜。本实用新型可以满足众多测温场合的需要。
文档编号G01K7/32GK201314848SQ20082009135
公开日2009年9月23日 申请日期2008年11月14日 优先权日2008年11月14日
发明者江 林 申请人:哈尔滨龙成智能仪表公司