石英晶体板厚度剪切谐振压力传感器

摘要

一种石英晶体板厚度剪切谐振压力传感器，包括石英晶体板、辅助金属板和固定二板并承受环境压力的端部板。在连接端部板与石英晶体板和辅助金属板之间的交界面用强力胶粘连，并用四个螺栓将它们拴在一起，将整个板结构固定在两个支座上，使当端部板上表面受到环境压力作用时，位于两个支座间的组合石英晶体－辅助金属板结构处于纯弯状态。石英晶体板的上、下两表面均镀有薄层银电极，石英晶体板和端部板的长度为10－40毫米，石英晶体板厚度约1毫米，在石英晶体板与辅助金属板之间有微空隙。这种压力传感器灵敏度高，温度稳定性优良。

说明书

[技术领域]本发明涉及一种压力传感器，特别是根据石英晶体板频率漂移量的测定来确定待测压力的压力传感器。

[背景技术]石英晶体板在有偏场或初始场存在的环境中振动时，晶体板原有的固有频率会发生变化，即频率漂移，其大小完全由偏场所决定。由于频率漂移量比较容易测定，所以人们常通过测量频率漂移来计算偏场以及引起这些偏场的环境因素，如环境压力、温度、惯性加速度等。石英压力传感器就正是利用测定石英谐振器的频率漂移来确定环境压力的，即将封装好的石英晶体谐振器放置到压力环境中，环境压力引起晶体内出现初始偏场，当再让石英晶体板振动时，压力偏场将导致晶体板的固有频率与原先的固有频率有所不同。在小偏场的假设下，压力与频率漂移量成正比，因此，通过对频率漂移量的测量即可反推出待测的环境压力。

常见压力传感器由石英晶体板做成，其工作模式有两种，即沿晶体表面传播的表面波模式(SAW)和在整个晶体板中传播的体波模式(BAW)。在体波压力传感器中，晶体板的振动常用厚度--剪切模态。因为板的抗弯刚度远小于抗拉压刚度，所以压力垂直作用于板面所引起的弯曲变形将远大于压力沿平行于板面方向作用在侧面上所引起板的压缩变形。显然，按环境压力引起石英板弯曲变形来设计压力传感器，其灵敏度将会得到显著提高。目前，按这种原理所设计的表面波压力传感器在工程中已得到应用，但按这种原理工作的体波压力传感器还仍未设计成功。主要障碍是：待测压力在AT-Cut石英晶体板中所引起的弯曲偏场沿中性面是反对称的，即在中性面的两边材料，一边受拉，一边受压。这样，石英晶体板在作厚度--剪切振动时，按Tiersten一阶摄动积分计算所得到的频率漂移量等于零。这就是目前所用的体波压力传感器仍然是基于压力诱导石英板面内压缩原理的原因，这种类型的压力传感器具有较低的灵敏度。另外，由于体波压力传感器(BAW)比表面波压力传感器(SAW)具有更高的频率—温度稳定性，因此，基于压力引起石英晶体板弯曲变形的体波压力传感器具有非常重要的意义。

[发明内容]本发明将过去环境压力在石英晶体板中“引起压缩偏场”改为“引起非对称弯曲偏场”，即通过引入金属辅助板，使得石英晶体板内的弯曲偏场不再是完全反对称的，从而得到了基于弯曲偏场的石英板厚度--剪切压力传感器。

石英晶体板在不存在任何偏场时，厚度剪切振动模态U_N所对应的固有频率记为ω。当由于环境因素的影响而在板内出现初始偏场(记初始偏位移场为w)后，该石英晶体板再以模态U_N振动时的固有频率将变成ω+Δω。根据Tiersten的摄动积分理论，频率漂移量为

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式中，

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在上面二式中，c_KLMP和c_KLMNAB分别表示石英的二阶和三阶材料系数，ρ₀表示石英晶体板的密度。一般来说，初始偏场越大，则引起的频率漂移就越大。以往设计的让石英晶体板受压缩偏场作用而得到的压力传感器，因石英晶体板的抗拉压刚度太大而灵敏度非常低。考虑到晶体板的弯曲刚度远小于拉压刚度，若能设计一含石英晶体板的组合结构，该结构在环境压力作用下产生弯曲变形，且石英晶体板中的偏场变形是非对称的话，那么，该石英晶体板再以厚度剪切模态U_N振动时的频率漂移量将较以往的压缩偏场所引起的频率漂移量提高许多。本发明正是基于这一构想而设计出来的：用双层板结构整体受弯来承受图示环境压力p，双层板结构由石英晶体板和一金属辅助板构成，辅助板所起的作用是保证晶体板在双层板整体的弯曲中只受拉伸或压缩，即承受非反对称偏场。从而可以产生由压力p所引起的厚度剪切振动的频率漂移，并实现对压力的量测。由于是基于测量双层板的弯曲偏场所引起的频率漂移，故灵敏度高。另外，本发明中的晶体板用的是AT一Cut的石英板，且作厚度剪切振动，故该压力传感器的温度稳定性好。

本发明主要包括：石英晶体板、辅助金属板、用于固定二板并承受环境压力的端部板，石英晶体板和端部板的长度为10-40毫米，石英晶体板厚度约1毫米。在连接端部板与石英晶体板和辅助金属板时，除了沿它们之间的交界面用强力胶粘连外，还用四个螺栓将它们栓在一起，整个板结构固定在两个支座之上。在环境压力p作用之下，位于两个支座间的组合石英晶体—辅助金属板结构处于纯弯状态。另外，石英晶体板的上、下两表面均镀有薄层银电极，在石英晶体板与辅助金属板之间有微空隙。

石英晶体的线性和非线性弹性系数为：

c₁₁＝c₂₂＝86.74，c₂₁＝6.99，c₆₆＝39.88×10⁹N/m²；

c₆₆₁＝(-2c₁₁₁-c₁₁₂+3c₂₂₂)/4；c₆₆₂＝(2c₁₁₁-c₁₁₂-c₂₂₂)/4；(3)

c₁₁₁＝-2.1，c₁₁₂＝-3.45，c₂₂₂＝-3.32×10¹¹N/m².

$>>>\Delta \omega >\omega >>=>>3>4>>c>>>>(>b>/>a>)>>·>>>(>b>/>>h>2>>)>>>>2>>>>(>>h>1>>/>a>)>>2>>+>2>>>(>>h>2>>/>a>)>>2>>+>3>>(>>h>1>>/>a>+>>h>2>>/>a>)>>>>·>>>p>>E>2>>>,>>s>$

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式中p表示环境压力，c₁₁，c₁₂，c₂₂，c₆₆，c₆₆₁，c₆₆₂分别表示石英晶体板的二阶和三阶弹性系数，h₁、h₂分别表示辅助金属板和石英晶体板的厚度，2a、b分别表示石英晶体板和端部板的长度。

从上式可以发现：在石英晶体板的参数都给定时，压力传感器的灵敏度，即Δω/ω与p/E₂的比值，随b/a的增大而增大，随h₁/h₂的增大而减小。再由计算又发现：石英晶体板的长高比越大，则灵敏度越高；辅助金属板越硬，则灵敏度越高；且这样设计的压力传感器灵敏度比传统类型压力传感器提高至少四倍以上。

本发明与现有的压力传感器相比具有以下优点：灵敏度高，温度稳定性优良。

[附图说明]

图1为本发明基于弯曲变形的压力传感器示意图；

图2为本发明基于弯曲变形的压力传感器俯视图；

图3为本发明石英板与金属辅助板横截面上所受内力；

图4为本发明与以往基于压缩偏场所设计的压力传感器的灵敏度比较；

图5为不同金属材料所制造的辅助板对压力传感器灵敏度的影响；

图6为本发明不同的石英晶体板长高比对压力传感器灵敏度的影响。

[实施方式]如图1和图2所示，本发明由石英晶体板1、辅助金属板2和用于固定二板并承受环境压力p的端部板3组成，端部板3远比板1和2硬。在连接端部板3与石英晶体板1和辅助金属板2时，除了沿它们之间的交界面用强力胶粘连外，还用四个螺栓4将它们栓在一起。整个板结构固定在两个支座5之上，以使得在p作用之下，位于两个支座间的组合石英晶体--辅助金属板结构处于纯弯状态。另外，石英晶体板的上、下两表面均镀有薄层银电极6，在石英晶体板与辅助金属板之间有微空隙7。选定直角坐标系X₁X₂X₃，其中X₁轴沿长度方向，X₂轴垂直于板面向下，X₃轴与X₁X₂面垂直。端部板3的上平面受环境压力p作用，引起位于|X₁|＜a区间的组合石英晶体--辅助金属板结构处于纯弯状态。分析|X₁|＜a区间的石英晶体板和辅助金属板横截面上的内力图3后可知：在p力作用下，石英晶体板内产生压缩—弯曲组合变形，即石英晶体板内的偏场将由N和M₂联合产生，于是可设计石英晶体板内只受拉或压。另外，金属辅助板内的偏场也将由N和M₁联合产生。在边界条件中，由于端部板3比板1和2硬许多，故位于|X₁|＜a区间的组合石英晶体--辅助金属板结构就像一根整体梁一样处于纯弯状态，所以，二者在X₁＝±a处的转角可取为近似相等。组合结构的中性层，通过适当设计金属板的厚度可以使组合梁的中性层位于中间空隙范围内。通常，石英板与金属辅助板之间的空隙7的厚度非常小，在分析中可以忽略不计。这样，金属辅助板的最下层和石英板的最上层应近似处于中性层位置，即该处没有拉伸或压缩发生。设计好结构参数之后，即可用梁理论计算出石英板内的偏场。然后，再在石英板沿X₁方向上施加厚度剪切振动U_N。记偏场出现后的频率为ω+Δω，Δω与p有关。将偏场解和U_N代入(1)式即可由Δω解得p。

在相同的结构尺寸下，本发明与两种基于压缩偏场的压力传感器的灵敏度比较图如图4所示。其中，第一种压力传感器是指一较长石英方板放置在圆柱筒内，金属圆柱筒外壳受压力p作用收缩，从而产生对石英晶体板的压缩偏场；第二种压力传感器是指一薄石英圆板放置在圆柱筒内，金属圆柱筒外壳受压力p作用收缩，从而产生对石英晶体板的压缩偏场；第三种压力传感器即是本发明。比较可见：本发明的压力传感器灵敏度要明显高于前两者。

用不同的金属材料Al，Cu，W或合金钢制造辅助板时，压力传感器的灵敏度是不同的。从图5中可以看出：辅助板越硬，传感器灵敏度越高。英晶体板的长高比对传感器灵敏度也有影响：从图6可以看出：石英晶体板的长高比越大，越容易产生弯曲偏场，灵敏度也就越高。