專(zhuān)利名稱(chēng)：采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種諧振式水晶壓力傳感器，特別是一種采用水平極化切變波模式工作的水晶壓力傳感器。
背景技術(shù)：
目前，諧振式水晶壓力傳感器的工作模式主要有兩大類(lèi)聲表面波式和聲體波式。嚴(yán)格地講，目前的水晶聲表面波壓力傳感器應(yīng)稱(chēng)為水晶瑞利波壓力傳感器，其缺點(diǎn)是一、瑞利波模式抗污染能力差，不能充入硅油，長(zhǎng)期穩(wěn)定性不及體波式；二、瑞利波模式壓力傳感器使用YX或ST水晶切型，其溫度和時(shí)間穩(wěn)定性不及聲體波傳感器；三、目前的水晶聲表面波壓力傳感器采用“水晶杯”結(jié)構(gòu)(具有盲孔的水晶片)，即周邊固支水晶膜片結(jié)構(gòu)，根據(jù)材料力學(xué)可知，該結(jié)構(gòu)僅在小撓度條件下，傳感器具有線(xiàn)性特性，因此它僅適宜制作量程范圍較小的壓力傳感器；四、水晶杯結(jié)構(gòu)壓力傳感器的加工工藝復(fù)雜，不僅需要精確地控制杯底膜片的厚度，而且要求膜片光滑、平整度好，此外還要求杯壁陡直，因此很難實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明研制一種采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，它是一種可以寬壓力范圍工作的諧振式水晶壓力傳感器，它應(yīng)具有壓力靈敏度高、分辨率佳、溫度穩(wěn)定性?xún)?yōu)良、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、對(duì)晶體加工表面要求不苛刻、耐灰塵、抗污染、過(guò)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。本發(fā)明的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器包含水平極化切變波的水晶壓敏元件1、彈性的懸臂梁6、底座10、波紋片15、傳力桿8，波紋片15安裝在底座10下端的壓力接口10-1外側(cè)，懸臂梁6的一端與底座10固定連接，懸臂梁6的另一端與傳力桿8的上端固定連接，傳力桿8的下端與波紋片15固定連接，兩個(gè)水晶壓敏元件1分別安裝在懸臂梁6上，兩個(gè)水晶壓敏元件1分別經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)連接接線(xiàn)端子3。波紋膜片15是一種恒彈波紋膜片，它的功能是隔離被測(cè)壓力介質(zhì)以及傳遞壓力，并把壓力轉(zhuǎn)換為力，通過(guò)傳力桿8把它傳送到懸臂梁6，使水晶壓敏元件1發(fā)生變形，從而導(dǎo)致諧振器的固有頻率變化。因?yàn)槠漕l率變化與壓力的大小相對(duì)應(yīng)，并成良好的線(xiàn)性關(guān)系，所以測(cè)量其頻率就可知被測(cè)壓力值。該傳感器的壓力接口10-1處焊上波紋片15，成為平口結(jié)構(gòu)，它不同于深孔或毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，因此不僅適宜于普通流體壓力測(cè)量，而且可用于粘稠液體或熔融體的壓力測(cè)量，此外還有利于測(cè)量后的清洗，保持傳感器的長(zhǎng)壽命。由于產(chǎn)生水平極化切變波的兩個(gè)水晶壓敏元件分別處于拉伸和壓縮力作用，因此利用差頻法進(jìn)行處理，不僅可以抵消多種誤差，還可以使壓力靈敏度增大1倍。本發(fā)明的傳感器具有壓力靈敏度高、分辨率佳、溫度穩(wěn)定性?xún)?yōu)良、長(zhǎng)期穩(wěn)定性好、對(duì)晶體加工表面要求不苛刻、耐灰塵、抗污染、過(guò)載能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明的傳感器還具有Q值高、體積小、寄生信號(hào)小、溫度穩(wěn)定性好、抗污染能力強(qiáng)、一致性好、對(duì)工藝參數(shù)不太敏感以及便于安裝的優(yōu)點(diǎn)。


圖1是具體實(shí)施方式
一中所述的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是具體實(shí)施方式
一中水晶壓敏元件1的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是圖2的仰視圖，圖4是具體實(shí)施方式
二中水晶壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖5是具體實(shí)施方式
三中水晶壓敏元件1的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式
一本實(shí)施方式采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器(參閱圖1)由水晶壓敏元件1、懸臂梁6、傳力桿8、外殼9、底座10、波紋片15、緩沖片18組成。波紋片15安裝在底座10下端的壓力接口10-1的外側(cè)，波紋片15的外緣與底座10焊接在一起。在底座10的壓力接口10-1外側(cè)的周邊有凹槽14，在波紋片15上與凹槽14相對(duì)的部位有環(huán)形的波紋凸起16，上述結(jié)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)和增大靈敏度。當(dāng)被測(cè)壓力大于額定值時(shí)，變形的波紋片15上的凸起16已緊貼在底座10上，因此可防止懸臂梁6損壞。在底座10下部的外表面有傳感器接嘴螺紋13。懸臂梁6包含上梁6-1、連接在上梁6-1兩端下側(cè)的左立梁6-2和右立梁6-3、連接在左立梁6-2和右立梁6-3下端內(nèi)側(cè)的左梁6-4和右梁6-5，連為一體結(jié)構(gòu)的上梁6-1、左立梁6-2、右立梁6-3、左梁6-4和右梁6-5形成下側(cè)開(kāi)口的C形結(jié)構(gòu)。在左立梁6-2和右立梁6-3上端的內(nèi)側(cè)各開(kāi)有一個(gè)凹槽40，在左立梁6-2的凹槽40上方的上梁6-1上開(kāi)有兩條呈π形的凹槽21，它使懸臂梁6形成柔性隔離結(jié)構(gòu)，懸臂梁6由Al2O3陶瓷材料制成，其彈性強(qiáng)度、剛度極限都優(yōu)于金屬梁，不易發(fā)生塑性形變，無(wú)蠕變，滯后小，耐疲勞能力極強(qiáng)，彈性模量恒定，并且線(xiàn)膨脹系數(shù)等也可以與力敏切型水晶材料匹配。左梁6-4與底座10之間設(shè)有緩沖片18并由螺栓19固定在一起，傳力桿8的上端通過(guò)螺母7與懸臂梁6的右梁6-5固定連接，傳力桿8的下端與波紋片15焊接在一起。在底座10上還安裝有調(diào)整傳力桿8變形程度的支撐裝置12。它可以調(diào)整傳感器的零位輸出。兩個(gè)水晶壓敏元件1分別安裝在懸臂梁6的上梁6-1上下側(cè)的相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)弧形凹槽22中，在水晶壓敏元件1的兩端有彈性的吸聲材料24，通過(guò)彈性的吸聲材料24把水晶壓敏元件1安裝在懸臂梁6上，不僅可消除晶片對(duì)水平極化波的反射，提高測(cè)量精度，而且防止對(duì)水晶壓敏元件的機(jī)械沖擊。外殼9罩在懸壁梁6的外面，外殼9下端的邊沿與底座10固定連接。由于水晶壓敏元件采用水平極化切變波工作模式，因此傳感器的外殼9內(nèi)可以充滿(mǎn)硅油，它適宜于高靜壓(井下、海上油田等)、惡劣環(huán)境(存在強(qiáng)振動(dòng)、沖擊、存在核輻射和強(qiáng)磁干擾)條件下長(zhǎng)期工作。多個(gè)接線(xiàn)端子3固定于外殼9上，接線(xiàn)端子3經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)分別連接兩個(gè)水晶壓敏元件1。參閱圖2和圖3，水晶壓敏元件1由經(jīng)研磨拋光的水晶片1-1和光刻在水晶片1-1上面的產(chǎn)生水平極化切變波的金屬發(fā)射叉指換能器1-2和接收換能器1-3、降低插入損耗的能阱金屬柵陣1-4、金屬反射柵陣1-5和金屬匯流條1-7組成，金屬反射柵陣1-5分別與發(fā)射叉指換能器1-2和接收換能器1-3形成一體化諧振器，水晶片1-1的左右兩邊為刀刃形，其刃角α為55°～65°，水晶片1-1的切型是YZL(-48°～-51°)水晶切型。在水晶片1-1的左右兩邊涂覆有彈性的吸聲材料24。該水晶片1-1便于涂覆吸聲材料，減少了晶片的邊緣對(duì)聲波的反射，改善諧振特性。該水晶壓敏元件1有如下特點(diǎn)1、Q值(品質(zhì)因數(shù))高，可達(dá)1.5萬(wàn)以上；2、容易諧振，并且其諧振頻率受外部電容的影響很??；3、溫度穩(wěn)定性好；4、寄生信號(hào)小；5、抗污染能力強(qiáng)；6、一致性好，對(duì)工藝參數(shù)不太敏感，成品率高；7、在同樣技術(shù)指標(biāo)條件下，其諧振器尺寸最小。本實(shí)施方式的水晶壓力傳感器，當(dāng)水晶片上設(shè)置柵陣或溝槽等使其聲阻抗不連續(xù)，則水平極化切變波在基片上的阻抗不連續(xù)區(qū)相互反射。設(shè)計(jì)適當(dāng)長(zhǎng)度的反射器，則在腔體內(nèi)形成駐波，把能量封閉在腔體內(nèi)，成為水平極化切變波諧振器。
具體實(shí)施方式
二本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是(參閱圖4)，C形結(jié)構(gòu)的懸臂梁6是中間空隙的左右側(cè)為拱形結(jié)構(gòu)的雙孔梁，兩個(gè)水晶壓敏元件1背面重疊并水平設(shè)置在懸臂梁6的中間，水晶壓敏元件1的兩端固定在左立梁6-2和右立梁6-3上，在一對(duì)水晶壓敏元件1的接合面處有上下相對(duì)的弧型凹槽26。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
具體實(shí)施方式
三本實(shí)施方式與具體實(shí)施方式
一不同的是(參閱圖5)，水晶壓敏元件1的背面有前后貫通的弧型凹槽26。其它組成和連接關(guān)系與具體實(shí)施方式
一相同。
權(quán)利要求
1.采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，它包含水平極化切變波的水晶壓敏元件(1)、彈性的懸臂梁(6)、底座(10)、波紋片(15)、傳力桿(8)，其特征在于波紋片(15)安裝在底座(10)下端的壓力接口(10-1)外側(cè)，懸臂梁(6)的一端與底座(10)固定連接，懸臂梁(6)的另一端與傳力桿(8)的上端固定連接，傳力桿(8)的下端與波紋片(15)固定連接，兩個(gè)水晶壓敏元件(1)分別安裝在懸臂梁(6)上，兩個(gè)水晶壓敏元件(1)分別經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)連接接線(xiàn)端子(3)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，其特征在于在底座(10)的壓力接口(10-1)外側(cè)的周邊有凹槽(14)，在波紋片(15)上與凹槽(14)相對(duì)的部位有環(huán)形的波紋凸起(16)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，其特征在于懸臂梁(6)包含上梁(6-1)、連接在上梁(6-1)兩端下側(cè)的左立梁(6-2)和右立梁(6-3)、連接在左立梁(6-2)和右立梁(6-3)下端內(nèi)側(cè)的左梁(6-4)和右梁(6-5)，連為一體結(jié)構(gòu)的上梁(6-1)、左立梁(6-2)、右立梁(6-3)、左梁(6-4)和右梁(6-5)形成下側(cè)開(kāi)口的C形結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，其特征在于懸臂梁(6)由Al2O3陶瓷材料制成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，其特征在于左梁(6-4)與底座(10)之間設(shè)有緩沖片(18)并由螺栓(19)固定在一起。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，其特征在于在底座(10)上還安裝有調(diào)整傳力桿(8)變形程度的支撐裝置(12)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，其特征在于外殼(9)罩在懸壁梁(6)的外面，外殼(9)下端的邊沿與底座(10)固定連接，傳感器的外殼(9)內(nèi)充滿(mǎn)硅油。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，其特征在于在左立梁(6-2)和右立梁(6-3)上端的內(nèi)側(cè)各開(kāi)有一個(gè)凹槽(40)，在左立梁(6-2)的凹槽(40)上方的上梁(6-1)上開(kāi)有兩條呈π形的凹槽(21)，兩個(gè)水晶壓敏元件(1)分別安裝在懸臂梁(6)的上梁(6-1)上下側(cè)的相對(duì)應(yīng)的兩個(gè)弧形凹槽(22)中。
9.根據(jù)權(quán)利要求3所述的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，其特征在于兩個(gè)水晶壓敏元件(1)背面重疊并水平設(shè)置在懸臂梁(6)的中間，水晶壓敏元件(1)的兩端固定在左立梁(6-2)和右立梁(6-3)上，在一對(duì)水晶壓敏元件(1)的接合面處有上下相對(duì)的弧型凹槽(26)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1、8或9所述的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，其特征在于水晶壓敏元件(1)由經(jīng)研磨拋光的水晶片(1-1)和光刻在水晶片(1-1)上面的產(chǎn)生水平極化切變波的金屬發(fā)射叉指換能器(1-2)和接收換能器(1-3)、降低插入損耗的能阱金屬柵陣(14)、金屬反向柵陣(1-5)和金屬匯流條(1-7)組成，水晶片(1-1)的左右兩邊為刀刃形。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，其特征在于水晶片(1-1)的切型是YZL水晶切型。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，其特征在于水晶壓敏元件(1)的背面有前后貫通的弧型凹槽(26)。
全文摘要
采用水平極化聲波模式的諧振式水晶壓力傳感器，它涉及一種諧振式水晶壓力傳感器。它包含水平極化切變波的水晶壓敏元件(1)、彈性的懸臂梁(6)、底座(10)、波紋片(15)、傳力桿(8)，波紋片(15)安裝在底座(10)下端的壓力接口(10－1)外側(cè)，懸臂梁(6)的一端與底座(10)固定連接，懸臂梁(6)的另一端與傳力桿(8)的一端固定連接，傳力桿(8)的另一端與波紋片(15)固定連接，兩個(gè)水晶壓敏元件(1)分別安裝在懸臂梁(6)上，兩個(gè)水晶壓敏元件(1)分別經(jīng)導(dǎo)線(xiàn)連接接線(xiàn)端子(3)。該傳感器具有壓力靈敏度高、分辨率好、溫度穩(wěn)定性?xún)?yōu)良、長(zhǎng)期穩(wěn)定性佳、對(duì)晶體加工表面要求不苛刻、耐灰塵、抗污染、過(guò)載能力強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L9/00GK1419113SQ0215659
公開(kāi)日2003年5月21日 申請(qǐng)日期2002年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月17日
發(fā)明者林江, 何志剛, 王世光 申請(qǐng)人:林江, 何志剛, 王世光