石英晶体谐振式绝对压力传感器研制
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摘 要 : 介绍了一体化石英谐振式压力传感器的研制 ,采用石英晶体材料制做弹性膜片 ,用音叉式石英力 敏谐振器检测压力 ,减少了传感器的体积 ,降低了制造工艺难度 。研制的传感器量程为 0～120 kPa,中心频 率为 (40 ±4) kHz,精度为 0. 05 %。 关键词 : 石英晶体 ; 谐振 ; 压力传感器 中图分类号 : TP212 文献标识码 : A 文章编号 : 1000 - 9787 (2008) 12 - 0085 - 02
Hale Waihona Puke Baidu
4 结 论 本文提出了一种高精度编码器动态细分误差的快速测
量系统 ,与传统的静态检测编码器细分误差方法相比 ,该方 法检测编码器动态细分误差的实验过程简便 、检测速度快 。 不仅可用于实验室检测 ,也可以用于编码器工作现场对编 码器动态细分误差进行评估 。实验证明 :该方法是可行的 。 参考文献 : [ 1 ] 董莉莉 ,熊经武. 光电轴角编码器的发展动态 [ J ]. 光学精密
学精密工程 , 2004, 12 ( 1) : 66 - 70. [ 4 ] 李 洪 ,冯长有 ,丁林辉. 光电轴角编码器细分误差动态评估
方法 [ J ]. 传感技术学报 , 2005, 18 (4) : 927 - 930. [ 5 ] 刘汉平 ,冯长有 ,丁林辉. L isssajous曲线拟合法评估编码器细
3. The 49 th Research In stitute, Ch ina Election ics Technology Group Corppra tion, Harb in 150001, Ch ina )
Abstract: The development of an integrative quartz2resonance p ressure sensor is exp lained. Quartz2crystal material is app lied to p rocess the elastic film , and the tuning fork quartz2crystal force2sensing resonator is used to detect the p ressure. The volume of the sensor is reduced, and the manufacture comp lexity is decreased. The measuring range of the sensor is 0～120 kPa, the centre frequency is (40 ±4) kHz, the accuracy is 0. 05 %. Key words: quartz; resonator; p ressure sensor
工程 , 2000, 8 ( 2) : 198 - 202. [ 2 ] 汤天瑾 ,曹向群 ,林 斌. 光电轴角编码器发展现状分析及展
望 [ J ]. 光学仪器 , 2005, 27 ( 1) : 90 - 95. [ 3 ] 佘 林 ,冯长有 ,丁林辉. 两步法测量编码器测角误差 [ J ]. 光
2008年 第 27卷 第 1期 传感器与微系统 ( Transducer and M icrosystem Technologies)
85
石英晶体谐振式绝对压力传感器研制
潘安宝 1 , 闻 化 2 , 姚东媛 3 ,高成臣 3 , 谢树海 3
(1. 空军军械通用装备军事代表局 ,北京 100071; 2. 空军驻黑龙江地区军事代表室 ,黑龙江 哈尔滨 150001; 3中国电子科技集团公司 第四十九研究所 ,黑龙江 哈尔滨 150001)
图 4 石英力敏谐振器工艺流程图 F ig 4 Techn ics flow chart of quartz force sen sing resona tor
图 5 传感器压力敏感元件 F ig 5 Pressure sen sing elem en t of sen sor 力敏谐振器与弹性膜片用玻璃粉烧结到一起 ,使其形 成刚性连接 。由于力敏谐振器在膜片上的位置直接影响传 感器的输出与精度 ,为此 ,在烧结过程中采用专用夹具防止 谐振器在烧结过程中产生滑移 ,这也是压力敏感元件制作 过程中的关键工艺之一 。 基座与弹性膜片之间采用玻璃粉烧结在一起 ,该烧结 过程是在真空条件下进行的 。这样 ,既实现了弹性膜片与 基座之间形成刚性连接 ,又实现了压力腔体的真空密封 ,从 而完成了传感器的真空封装 。为保证传感器的精度 ,在烧 结过程中仍需使谐振器处于空腔的中心位置 ,为此 ,采用了 专用夹具 。 将压力敏感元件 、传感器激振电路和壳体进行装配 ,这 样 ,就完成传感器的制作 。 4 标定测试 在室温条件下 ,对传感器施加 10 V 直流电压 ,进行静 态标定 , 表 1给出了 1#传感器的典型标定数据 ,表 2给出 了 2#传感器静态标定数据 。
表 1 1#传感器静态标定数据 Tab 1 Sta tic ca libra ted da ta of 1# sen sor
序号
0～120 kPa输出 ( kHz)
0
30
60
90
120
1
41. 914 7 42. 181 6 42. 465 7 42. 768 4 43. 060 8
2
41. 914 8 42. 181 9 42. 465 9 42. 768 6 43. 060 8
6
41. 914 7 42. 181 9 42. 465 9 42. 768 7 43. 060 9
(下转第 89页 )
第 1期 赵长海 ,等 :光电轴角编码器的细分误差快速测量系统 89
点相位 tan - 1 ua 与理论细分点相位 tan - 1 ub
通过上述过程制出梁的宽度为 190μm , 2根梁的间距 为 160μm ,梁的长度为 4. 96 mm 的力敏谐振器 ,其量程为 0～150 gf,中心频率为 (40 ±4) kHz,精度为 0. 05 % ,满量程 输出为 (1. 2 ±0. 24) kHz。 3 压力敏感元件装配
传感器压力敏感元件结构如图 5所示 。采用研磨方法 加工出压力敏感元件基座的圆形空腔体 ,由于圆形空腔体 的直径与弹性膜片厚度决定了传感器的量程 ,因此 ,在加工 过程中应严格控制腔体直径 。如腔体直径尺寸偏大 ,则降 低量程 ;反之 ,则会使量程增大 。对研磨后的表面采用各向 同性腐蚀液来去除表面由于研磨导致的损伤层 ,减少机械 残余应力 。
0 引 言 谐振式石英晶体压力传感器以其高精度 ,良好的长期
稳定性广泛应用于气压与高度测量 、压力自动校准以及精 密过程控制等 。这种高精度石英晶体压力传感器在结构形 式上主要有 2种形式 ,一种是厚膜切变模式 [1 ] ,将石英晶体 加工成透镜模式 ,在透镜上制作电极 ,利用其振动频率与所 受压力的变化关系来检测压力的大小 ,这种传感器对透镜 和电极的加工工艺要求很高 ,产品制造难度大 ,现已逐渐被 其他结构取代 ;另一种是以石英谐振梁为力敏元件 [2～4 ] ,用 波登管或金属膜盒来感受压力 ,并将压力转换成力作用到 谐振梁上 ,谐振梁的频率随作用压力变化而变化 ,利用谐振 梁的频率变化来检测被测压力的大小 。这种压力传感器结 构较为复杂 ,对材料和制造工艺都要求很高 ,目前 ,国际上 仅有少数几家公司掌握了其关键技术 ,能够批量提供产品 。 针对该传感器的制造难题 ,本文提出了研制全石英压力敏 感元件的压力传感器 ,用石英弹性膜片替代复杂的金属弹
连 ,通过人机操作界面运行数据采集程序 。采集编码器精
码光电信号放大后的电压值 ,接入计算机得到动态数据 ,并
计算动态细分误差 。利用二十一面体和自准直仪 ,任意选
择一个细分周期 ,测量静态细分误差 ,动态与静态细分误差
曲线如图 2所示 。
图 2 编码器动态与静态细分误差对比 F ig 2 Con tra st of sta tic error and dynam ic error of encoder
弹性膜片是将压力转换成力 ,力敏谐振器是将力转换
收稿日期 : 2007 - 05 - 10
86 传 感 器 与 微 系 统 第 27卷
成频率信号 。力敏谐振器采用双端式音叉 ,其结构如图 2 所示 ,图 3为其简化模型图 。该谐振器在受到拉伸或压缩 力 F作用时 ,其振动频率 f与 F之间存在如下关系 [5 ]
3
41. 914 0 42. 181 8 42. 465 8 42. 768 5 43. 060 0
4
41. 914 7 42. 181 9 42. 465 9 42. 768 7 43. 060 7
5
41. 914 7 42. 181 7 42. 465 7 42. 768 6 43. 060 9
D evelopm en t of quartz2resonance absolute
pressure sen sor
PAN An2bao1 , W EN Hua2 , YAO Dong2yuan3 , GAO Cheng2chen3 , X IE Shu2hai3
( 1. A ir Force O rdnance Equ ipm en tsM ilitary Represen ta tive Bureau, Be ijing 100071, Ch ina; 2. A ir Force M ilitary Represen ta tive O rgan, Harb in 150001, Ch ina;
2 石英力敏谐振器制作 石英力敏谐振器是由 2个外侧的支撑梁和 2个内侧谐
振梁构成 ,电极分布在谐振梁上 ,且分布在谐振梁的上下表 面与侧面 ,支撑梁上没有电极 。利用铜镀层掩蔽 ,采用各向 异性腐蚀液对石英晶体进行刻蚀 。采用旋转蒸发方式蒸电 极层 ,侧面电极通过增加特制侧面光源进行光刻 ,这样 ,就 解决了侧电极制作难题 。完成光刻的谐振器需要进行温度 循环处理 ,减少残余应力 。力敏谐振器的工艺流程如图 4 所示 。
性元件 ,降低制作难度 ,实现传感器小型化 。 1 传感器的结构与工作原理
石英谐振式压力传感器主要由压力敏感元件和激振电 路组成 。传感器的结构如图 1所示 ,包括压力接口 、压力敏 感元件和壳体等 。压力敏感元件是传感器的核心 ,它包括 弹性膜片和音叉式力敏谐振器 。当压力作用于弹性膜片 时 ,使膜片产生变形 ,导致膜片沿直径方向产生拉力或压 力 ,并将该力作用到谐振梁上 ,谐振梁的频率随作用力变化 而变化 ,利用谐振梁的频率变化来检测被测压力的大小 。 压力敏感元件各部均由石英晶体材料制成 。石英力敏谐振 器通过光刻和化学腐蚀工艺加工完成 ,并采用烧结工艺装 配到弹性膜片上 ,然后 ,在真空条件下 ,将弹性膜片烧结到 已研磨出空腔的基座上 ,在完成基座与弹性膜片烧结同时 也形成了真空参考力腔 ,这即符合制作绝压传感器的设计 要求 ,又满足了谐振器的真空工作环境需要 。
f = f0 1 + S F .
(1)
其中 ,
f0
= a0
t2 L2
E ρ
,
(2)
S
= as
L2 Ebt3
,
(3)
式中 L , t和 b分 别 为 谐 振 梁 的 长 、宽 和 厚 度 ; E 和 ρ分
别为弹性模量和密度 ; f0 为中心谐振频率 。在一阶振动 模式 , 两端 固 定 条 件 下 , 常 数 a0 和 as 分 别 为 1. 026 和 0. 294。
细分误差可以表示为
csoinsθθ的差值 ,
dθ=φ - θ= tan - 1
ua ub
- tan - 1
sinθ co sθ
.
(5)
3 实验测量
某 21位增量式编码器为 8 192对线 /周光栅盘 ,经电子
学 256细分后 ,分辨力为 0. 6″。利用数据采集卡将差分放
大后的 2路精码光电信号与数据采集装置的 2路输入端相
Hale Waihona Puke Baidu
4 结 论 本文提出了一种高精度编码器动态细分误差的快速测
量系统 ,与传统的静态检测编码器细分误差方法相比 ,该方 法检测编码器动态细分误差的实验过程简便 、检测速度快 。 不仅可用于实验室检测 ,也可以用于编码器工作现场对编 码器动态细分误差进行评估 。实验证明 :该方法是可行的 。 参考文献 : [ 1 ] 董莉莉 ,熊经武. 光电轴角编码器的发展动态 [ J ]. 光学精密
学精密工程 , 2004, 12 ( 1) : 66 - 70. [ 4 ] 李 洪 ,冯长有 ,丁林辉. 光电轴角编码器细分误差动态评估
方法 [ J ]. 传感技术学报 , 2005, 18 (4) : 927 - 930. [ 5 ] 刘汉平 ,冯长有 ,丁林辉. L isssajous曲线拟合法评估编码器细
3. The 49 th Research In stitute, Ch ina Election ics Technology Group Corppra tion, Harb in 150001, Ch ina )
Abstract: The development of an integrative quartz2resonance p ressure sensor is exp lained. Quartz2crystal material is app lied to p rocess the elastic film , and the tuning fork quartz2crystal force2sensing resonator is used to detect the p ressure. The volume of the sensor is reduced, and the manufacture comp lexity is decreased. The measuring range of the sensor is 0～120 kPa, the centre frequency is (40 ±4) kHz, the accuracy is 0. 05 %. Key words: quartz; resonator; p ressure sensor
工程 , 2000, 8 ( 2) : 198 - 202. [ 2 ] 汤天瑾 ,曹向群 ,林 斌. 光电轴角编码器发展现状分析及展
望 [ J ]. 光学仪器 , 2005, 27 ( 1) : 90 - 95. [ 3 ] 佘 林 ,冯长有 ,丁林辉. 两步法测量编码器测角误差 [ J ]. 光
2008年 第 27卷 第 1期 传感器与微系统 ( Transducer and M icrosystem Technologies)
85
石英晶体谐振式绝对压力传感器研制
潘安宝 1 , 闻 化 2 , 姚东媛 3 ,高成臣 3 , 谢树海 3
(1. 空军军械通用装备军事代表局 ,北京 100071; 2. 空军驻黑龙江地区军事代表室 ,黑龙江 哈尔滨 150001; 3中国电子科技集团公司 第四十九研究所 ,黑龙江 哈尔滨 150001)
图 4 石英力敏谐振器工艺流程图 F ig 4 Techn ics flow chart of quartz force sen sing resona tor
图 5 传感器压力敏感元件 F ig 5 Pressure sen sing elem en t of sen sor 力敏谐振器与弹性膜片用玻璃粉烧结到一起 ,使其形 成刚性连接 。由于力敏谐振器在膜片上的位置直接影响传 感器的输出与精度 ,为此 ,在烧结过程中采用专用夹具防止 谐振器在烧结过程中产生滑移 ,这也是压力敏感元件制作 过程中的关键工艺之一 。 基座与弹性膜片之间采用玻璃粉烧结在一起 ,该烧结 过程是在真空条件下进行的 。这样 ,既实现了弹性膜片与 基座之间形成刚性连接 ,又实现了压力腔体的真空密封 ,从 而完成了传感器的真空封装 。为保证传感器的精度 ,在烧 结过程中仍需使谐振器处于空腔的中心位置 ,为此 ,采用了 专用夹具 。 将压力敏感元件 、传感器激振电路和壳体进行装配 ,这 样 ,就完成传感器的制作 。 4 标定测试 在室温条件下 ,对传感器施加 10 V 直流电压 ,进行静 态标定 , 表 1给出了 1#传感器的典型标定数据 ,表 2给出 了 2#传感器静态标定数据 。
表 1 1#传感器静态标定数据 Tab 1 Sta tic ca libra ted da ta of 1# sen sor
序号
0～120 kPa输出 ( kHz)
0
30
60
90
120
1
41. 914 7 42. 181 6 42. 465 7 42. 768 4 43. 060 8
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41. 914 8 42. 181 9 42. 465 9 42. 768 6 43. 060 8
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(下转第 89页 )
第 1期 赵长海 ,等 :光电轴角编码器的细分误差快速测量系统 89
点相位 tan - 1 ua 与理论细分点相位 tan - 1 ub
通过上述过程制出梁的宽度为 190μm , 2根梁的间距 为 160μm ,梁的长度为 4. 96 mm 的力敏谐振器 ,其量程为 0～150 gf,中心频率为 (40 ±4) kHz,精度为 0. 05 % ,满量程 输出为 (1. 2 ±0. 24) kHz。 3 压力敏感元件装配
传感器压力敏感元件结构如图 5所示 。采用研磨方法 加工出压力敏感元件基座的圆形空腔体 ,由于圆形空腔体 的直径与弹性膜片厚度决定了传感器的量程 ,因此 ,在加工 过程中应严格控制腔体直径 。如腔体直径尺寸偏大 ,则降 低量程 ;反之 ,则会使量程增大 。对研磨后的表面采用各向 同性腐蚀液来去除表面由于研磨导致的损伤层 ,减少机械 残余应力 。
0 引 言 谐振式石英晶体压力传感器以其高精度 ,良好的长期
稳定性广泛应用于气压与高度测量 、压力自动校准以及精 密过程控制等 。这种高精度石英晶体压力传感器在结构形 式上主要有 2种形式 ,一种是厚膜切变模式 [1 ] ,将石英晶体 加工成透镜模式 ,在透镜上制作电极 ,利用其振动频率与所 受压力的变化关系来检测压力的大小 ,这种传感器对透镜 和电极的加工工艺要求很高 ,产品制造难度大 ,现已逐渐被 其他结构取代 ;另一种是以石英谐振梁为力敏元件 [2～4 ] ,用 波登管或金属膜盒来感受压力 ,并将压力转换成力作用到 谐振梁上 ,谐振梁的频率随作用压力变化而变化 ,利用谐振 梁的频率变化来检测被测压力的大小 。这种压力传感器结 构较为复杂 ,对材料和制造工艺都要求很高 ,目前 ,国际上 仅有少数几家公司掌握了其关键技术 ,能够批量提供产品 。 针对该传感器的制造难题 ,本文提出了研制全石英压力敏 感元件的压力传感器 ,用石英弹性膜片替代复杂的金属弹
连 ,通过人机操作界面运行数据采集程序 。采集编码器精
码光电信号放大后的电压值 ,接入计算机得到动态数据 ,并
计算动态细分误差 。利用二十一面体和自准直仪 ,任意选
择一个细分周期 ,测量静态细分误差 ,动态与静态细分误差
曲线如图 2所示 。
图 2 编码器动态与静态细分误差对比 F ig 2 Con tra st of sta tic error and dynam ic error of encoder
弹性膜片是将压力转换成力 ,力敏谐振器是将力转换
收稿日期 : 2007 - 05 - 10
86 传 感 器 与 微 系 统 第 27卷
成频率信号 。力敏谐振器采用双端式音叉 ,其结构如图 2 所示 ,图 3为其简化模型图 。该谐振器在受到拉伸或压缩 力 F作用时 ,其振动频率 f与 F之间存在如下关系 [5 ]
3
41. 914 0 42. 181 8 42. 465 8 42. 768 5 43. 060 0
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41. 914 7 42. 181 9 42. 465 9 42. 768 7 43. 060 7
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41. 914 7 42. 181 7 42. 465 7 42. 768 6 43. 060 9
D evelopm en t of quartz2resonance absolute
pressure sen sor
PAN An2bao1 , W EN Hua2 , YAO Dong2yuan3 , GAO Cheng2chen3 , X IE Shu2hai3
( 1. A ir Force O rdnance Equ ipm en tsM ilitary Represen ta tive Bureau, Be ijing 100071, Ch ina; 2. A ir Force M ilitary Represen ta tive O rgan, Harb in 150001, Ch ina;
2 石英力敏谐振器制作 石英力敏谐振器是由 2个外侧的支撑梁和 2个内侧谐
振梁构成 ,电极分布在谐振梁上 ,且分布在谐振梁的上下表 面与侧面 ,支撑梁上没有电极 。利用铜镀层掩蔽 ,采用各向 异性腐蚀液对石英晶体进行刻蚀 。采用旋转蒸发方式蒸电 极层 ,侧面电极通过增加特制侧面光源进行光刻 ,这样 ,就 解决了侧电极制作难题 。完成光刻的谐振器需要进行温度 循环处理 ,减少残余应力 。力敏谐振器的工艺流程如图 4 所示 。
性元件 ,降低制作难度 ,实现传感器小型化 。 1 传感器的结构与工作原理
石英谐振式压力传感器主要由压力敏感元件和激振电 路组成 。传感器的结构如图 1所示 ,包括压力接口 、压力敏 感元件和壳体等 。压力敏感元件是传感器的核心 ,它包括 弹性膜片和音叉式力敏谐振器 。当压力作用于弹性膜片 时 ,使膜片产生变形 ,导致膜片沿直径方向产生拉力或压 力 ,并将该力作用到谐振梁上 ,谐振梁的频率随作用力变化 而变化 ,利用谐振梁的频率变化来检测被测压力的大小 。 压力敏感元件各部均由石英晶体材料制成 。石英力敏谐振 器通过光刻和化学腐蚀工艺加工完成 ,并采用烧结工艺装 配到弹性膜片上 ,然后 ,在真空条件下 ,将弹性膜片烧结到 已研磨出空腔的基座上 ,在完成基座与弹性膜片烧结同时 也形成了真空参考力腔 ,这即符合制作绝压传感器的设计 要求 ,又满足了谐振器的真空工作环境需要 。
f = f0 1 + S F .
(1)
其中 ,
f0
= a0
t2 L2
E ρ
,
(2)
S
= as
L2 Ebt3
,
(3)
式中 L , t和 b分 别 为 谐 振 梁 的 长 、宽 和 厚 度 ; E 和 ρ分
别为弹性模量和密度 ; f0 为中心谐振频率 。在一阶振动 模式 , 两端 固 定 条 件 下 , 常 数 a0 和 as 分 别 为 1. 026 和 0. 294。
细分误差可以表示为
csoinsθθ的差值 ,
dθ=φ - θ= tan - 1
ua ub
- tan - 1
sinθ co sθ
.
(5)
3 实验测量
某 21位增量式编码器为 8 192对线 /周光栅盘 ,经电子
学 256细分后 ,分辨力为 0. 6″。利用数据采集卡将差分放
大后的 2路精码光电信号与数据采集装置的 2路输入端相