采用无电极谐振音叉的石英真空传感器设计

采用无电极谐振音叉的石英真空传感器设计宋国庆;王长虹;邹向光;王万生;王俊巍;姚东媛【摘要】提出了一种基于气体输运现象的双参数谐振石英真空传感器(QRVS).与传统QRVS不同,在(zyw)-18°15′切型的石英音叉片本体无任何电极设置,构成“无电极型谐振音叉”;采用频率和等效串联电阻值的双参数谐振敏感机制,且音叉厚度t 与两叉臂间距g之比为t/g =10.为了增大叉臂与真空中残存气体的机械摩擦阻尼,在叉臂的前端制备了4枚通透沟槽.为了抑制寄生振动模式,提高品质因数Q值和叉臂根部的机械疲劳寿命,在两叉臂的边缘分别制作了半圆形台阶,在支撑隔离区加工了2～5枚矩形槽.典型样品实测数据表明:真空测量范围为10-3～ 105 Pa,分辨率为3×10-3 Pa,准确度为10％F.S,稳定性为1.5 ×10-3Pa,达到了设计要求.%A design of quartz resonant vacuum sensor (QRVS) with two-resonant parameters based on gas transportation phenomenon is proposed.Its main differences with the traditional QRVS are stated as the follows:(zyw)-18°15′cut type quartz crystal tuning folk sheet is used in the QRVS,and the QRVS is not set any type of electrodes on its quartz tuning fork sheet which " a piezo-resonant tuning fork with no electrodes " iscalled.Resonance sensitive mechanism with two-parameter that are resonance frequency and equivalent series resistance are used,and ratio of thickness of tuning to distance between the two tuning arms,t/g is 10.In order to increase mechanical friction damping of residual gas in vacuum with fork arms,and four ventilated grooves on the upper end of the arm are prepared.In order to suppress spurious vibration modes,improve the quality factor Q value,and mechanical fatigue life of the fork arm root,thesemicircular steps at the edge of two fork arms and 2 ～5 rectangular grooves in isolating support region are made,respectively.The measured data of typical samples of QRVS show that range of vacuum measurement is 10-3 ～105 Pa,resolution of vacuum measurement is 3 × 10-3Pa,accuracy of vacuum measurement is 10 ％F.S,stability is 1.5 × 10-3Pa,fully meet the design requirements.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2017(036)012【总页数】4页(P104-107)【关键词】石英真空传感器;双参数谐振;无电极谐振音叉;音叉厚度与两叉臂间距比;通透沟槽;半圆形台阶【作者】宋国庆;王长虹;邹向光;王万生;王俊巍;姚东媛【作者单位】中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001;中国电子科技集团公司第四十九研究所,黑龙江哈尔滨150001【正文语种】中文【中图分类】TP212目前，真空传感器技术薄弱，但在航空、航天、船舶、半导体工业中有广泛应用。

跳伞系统执行机构、超高层大气监测、地表至100 km的探测气球工程等急需一种压力范围为10-3～105Pa的真空传感器，但目前现有传感器动态范围窄，灵敏度低，响应速度慢，体积大、功耗大，例如：皮拉尼(Pirani)式。

由于结构原因导致耐机械振动和冲击能力差，使用时还需要加热，不适宜高温下使用，也不能用于易燃、易爆场合。

当飞行器高度为100 km时，由于飞机或火箭内部设备将带来数千赫兹、数十GHz的振动，目前的真空传感器在该条件下几乎均无法良好地工作[1～4]。

采用电容压力敏感元件的真空传感器，其量程下限越低，体积越大，技术指标越差，更不适宜在10-3～105Pa范围内使用，例如美国ECC型臭氧探空仪中的电容式压力传感器的真空传感器在40 km高度时，其准确度仅为20 %[1,4]。

目前量程为10-3～105Pa的我国国家级标准真空检定系统[5]的不确定度仅为±10 %F.S。

近几年，石英真空传感器(QRVS)[1～6]可以扬长避短，其按照工作原理大致可分为两大类：1)利用其谐振频率f与气体压力F的对应关系制备的频率输出型石英真空传感器QRVS[1～4]，其灵敏度不高：当F从10-4Pa变化至100 kPa时，其f仅变化几赫兹。

2)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等效串联电阻值Z变化的阻抗型石英真空传感器QRVS[1,3,6,7]，灵敏度高：当F从10-4Pa变化至100 kPa时，通常Z可从10-2kΩ增加到100 kΩ。

因此，测量Z的变化，即可获得真空度。

为了扩展量程，提高准确度，改善长期稳定性和可靠性，开展了采用无电极音叉的双参数谐振式石英真空传感器的设计和测试工作。

目前国内尚无同类的石英真空传感器报导。

一种利用弯曲振动模式的石英音叉谐振器(QTF)的等效串联电阻值Z随着气体压力F变化原理工作的基于气体输运现象的真空传感器[1～4,5,7]。

QTF由2枚平行的欧拉—贝努利(Euler-Bernoulli)石英叉臂和一块支撑和隔离的石英基体构成。

在普通QRVS的每个欧拉—贝努利石英叉臂的4个物理面分别设置了激励—接收金属电极，从而2枚平行的欧拉—贝努利石英叉臂能够产生异相弯曲振动。

当置于被测真空中时，由于受到残存气体粘性和质量效应产生的阻尼影响，导致音叉的谐振频率f和品质因数Q值(与振动振幅、Z等参数相关)改变。

在气体分子流领域，Z与F成正比，而在气体粘性流领域Z却与F的平方根成正比。

显然，根据Z与Z0之差，即可准确地测量出真空度。

Zo为固有等效串联电阻值(即在高真空下的等效串联电阻值)。

根据滑移理论(slip theory)和密立根的经验公式(the empirical formula of Milliken),在全压力范围(分子流、中间流和粘性流领域)内，其等效串联电阻值的变化量ΔZ为[1， 4]ΔZ=C(6πηR+3πR2)式中 C为常数；R为石英音叉片的1/2厚度；η为真空中残存气体的视在粘度系数；ρ为真空中残存气体的密度；ω为石英音叉的谐振角频率。

QRVS的灵敏度主要由石英音叉的结构尺寸决定。

在气压较低，即真空度较高时，其Z随着真空度的变化趋势比较陡峻，并与t成正比[1～4]ΔZ=Z-(Z0+ZT)∝L3/M·t式中 ZT为在温度T时Z0的补偿值；M为音叉擘宽度。

换言之，真空度比较高时，其灵敏度比较高，然而真空度比较低时， Z随着真空度的变化趋势比较平缓，与t的平方根成正比，灵敏度变差[1～4]ΔZ∝L2/M·t1/2本文方法与普通QRVS的根本区别在于谐振音叉的激励—接收电极设计、制备和安装技术。

其激励—接收电极未设置于音叉片本体上，而是分别装配于各叉臂周边，并间隔微小间隙，如图1。

当各电极片与叉臂周边的微小间隙等于零时，则无电极的QRVS即为普通QRVS。

当QRVS外电路接通时，由于静电效应的缘故，如图1(b)所示，新结构激励—接收电极在叉臂的各个对应区域分别形成了相应的静电场和电力线。

由于石英晶体具有压电性，因此,由于逆压电效应作用，在所述的叉臂静电场区域产生弯曲形变。

由于外电路不断地供给能量，则形成了弯曲振动。

当弯曲振动的叉臂受到被测气体阻尼和摩擦作用时，其机械振动参数发生了变化。

因为正压电效应的作用，在上述的叉臂非接触电极对应区，分别建立了新的电场信号。

该电场信号通过上述叉臂与其周边间隙之间的电容耦合传递给非接触电极装置，并输出给QRVS外电路。

因此，利用该非接触电极能够接收和输出QRVS的敏感信号。

图1(a)为其结构示意图。

在石英音叉裸片的前、后、左、右各面以及两叉臂之间分别插入与两叉臂平行的相同切型的多枚石英片，其与叉臂的距离等于音叉谐振波长的整数倍，且在面对叉臂方向的石英基片上分别制作了铬—金薄膜电极，然后将各电极分别利用引出导线与外电路连接。

图1(b)示出其叉臂横断面的示意图。

为了对比，图1(c)给出了具有电极的常规石英音叉臂横断面示意图[8,9]，图3给出了无电极型音叉片的结构。

其设计理念是建立在石英音叉的f对F的灵敏度甚低(实验证明，F从10-4Pa变化至100 kPa，其f仅变化几赫兹)[1～4]之基础上。

因此，可以将f，Z，F，T的2个的四元函数方程组简化为2个一元函数线性方程组之关系。

显然能够综合地利用石英音叉的双谐振参数f和Z同时地敏感真空度和温度量，并进行温度特性的实时补偿；不仅消除了真空测量的温度误差，提高了准确度，而且拓宽了量程的下限。

使用新切型和创新结构的石英音叉，综合地利用f和T的线性函数关系(如图2直线a)以及(Z0+ZT)与T的一一对应特性(如图2曲线b)，检测音叉的f能够确定T值(如图2点A)，再根据T值推算出(Z0+ZT)值(如图2点B)。