單片式壓電諧振型石英壓力—溫度傳感器設計

宋國慶， 姚東媛， 鄒向光， 謝勝秋

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

單片式壓電諧振型石英壓力—溫度傳感器設計

宋國慶， 姚東媛， 鄒向光， 謝勝秋

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱 150001)

提出了一種采用石英力敏諧振器(QFSR)—石英熱敏諧振器(QTSR)的單片式壓電諧振型石英壓力—溫度傳感器(QPTS)，設計了單片式QPTS結(jié)構(gòu)、石英壓力傳感器的無應力封接方案以及新型壓力—伸縮力變換器。單片式QPTS由QFSR和QTSR構(gòu)成，均采用AT切型，厚度切變模式工作，不同的是QTSR的長邊取向與石英X軸的夾角為60°。無應力封接方案使用石英、單晶硅、非晶態(tài)SiC、硼硅酸鹽玻璃和柯伐合金的組合，并且利用石英化學刻蝕和物理修飾技術(shù)以及半導體的新工藝使QFSR和QTSR改性。其中，非晶態(tài)SiC層的制作是為了實現(xiàn)應力的緩沖：雖然硅和石英材料的熱膨脹系數(shù)不匹配，可是二者之間的非晶態(tài)SiC層卻能夠良好地吸收其熱應力，成為無應力結(jié)構(gòu)。

石英壓力—溫度傳感器； 壓電諧振； 單片式； 厚度切變模式； 壓力—伸縮力變換器； 非晶態(tài)SiC； 無應力封接

0 引 言

諧振式石英晶體壓力傳感器(QPS)是一種高精密、高穩(wěn)定的傳感器，分辨率高、長期穩(wěn)定性優(yōu)異。目前,QPS的工作模式主要有3種：聲表面波模式(SAW)[1,2]、廣義聲表面波模式(例如表面橫波模式[3])、聲體波模式(BAW)[1,4],其中,技術(shù)指標最高的是全石英結(jié)構(gòu)的聲體波厚度切變模式QPS。Quartztronics公司、Quartzdyne公司、Schlumberger公司和Paroscientific公司的QPS產(chǎn)品指標已接近壓力傳感器測量的極限[1]：壓力測量范圍為0.1～276 MPa或0.1～1.38 MPa;分辨率1×10-6;準確度為0.008 %FS[1]，產(chǎn)品存在下述缺點：

1)由于石英晶體為各向異性，為了消除非彈性誤差、熱膨脹系數(shù)不匹配誤差，其石英力敏諧振器(QFSR)、壓力—力變換器、導力彈性體必須采用同一塊石英晶體的同一切型、同一取向的晶塊制作。此外，還需利用光學冷加工法制造光學等級的石英導壓筒和位于筒內(nèi)中間位置的透鏡式QFSR，并需要在其表面制備激勵、接收電極等，其工藝難度

大。我國宜春學院[6]改革了其結(jié)構(gòu)和工藝，但卻以犧牲傳感器的準確度、溫度穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性指標為代價。

2)QFSR和石英熱敏諧振器(QTSR)為分立結(jié)構(gòu)，體積大。且所敏感的溫度和壓力為不在同一位置、同一時刻的實時數(shù)值。

另一種類型QPS為音叉聲體波彎曲振動模式QPS，例如俄羅斯的PKMA—1000.0型QPS[1]以及中國電子科技集團公司第四十九研究所研制的QPS[5]。其準確度較高，體積較小，主要缺點為：

1)導壓裝置、壓力—力變換器為膜盒或玻登管。QFSR需通過膜盒或玻登管進行壓力傳遞和壓力—力變換后，被敏感。不僅增大了非彈性和熱膨脹系數(shù)不匹配誤差，而且降低了溫度穩(wěn)定性和長期穩(wěn)定性指標。

2)在分辨率、溫度穩(wěn)定性等方面，彎曲振動模式QPS遠低于厚度切變模式QPS。目前彎曲模式的雙音叉QFSR受到工藝限制，不得不采用頻溫特性為拋物線的石英Z切型或Z+2切型[1]，其頻溫特性為二次曲線[1],遠不如頻溫特性為三次曲線的AT切型[1]。

3)雙音叉QFSR與導力彈性體、壓力—力變換器的無應力封接技術(shù)是目前最大技術(shù)瓶頸，還沒有找到與Z切型或Z+2切型QFSR完全匹配的封接材料。

由材料力學可知，板的抗彎、抗拉剛度遠小于抗壓剛度，因此，QPS板的垂直力所產(chǎn)生的彎曲形變遠遠大于平行力所產(chǎn)生的壓縮形變[1]。上海交大已研制成功采用該結(jié)構(gòu)的表面橫波壓力傳感器[3，7～9]。

因為石英片的耐壓縮力強度為抗拉強度、抗彎曲強度的24倍[1]，所以，為了解決高精度、大量程、寬溫區(qū)和小型化不可兼得的矛盾，本文設計了以壓力—伸縮力變換器為關(guān)鍵部件的QPTS。

1 結(jié)構(gòu)設計

1.1 AT切型一體化的QFSR和QTSR

如圖1所示，QPTS包括導壓裝置、壓力—伸縮力變換器、一體化結(jié)構(gòu)的QFSR和QTSR、壓力接口裝置、傳感器殼體。與傳統(tǒng)的QPS不同，它利用石英晶體、單晶硅、硼硅酸鹽玻璃和柯伐合金優(yōu)良的彈性，再配合特種半導體工藝、壓電器件和石英冷加工工藝對壓力—伸縮力變換器、一體化結(jié)構(gòu)的QFSR和QTSR進行改性處理，構(gòu)成了高性能的QPTS。

圖1 采用AT切型一體化結(jié)構(gòu)QFSR和QTSR的QPTS結(jié)構(gòu)

壓力接口裝置、傳感器殼體、導壓彈性膜片、壓力傳導柱、基準壓力柱皆由柯伐合金構(gòu)成?；鶞蕢毫χ琼敹司哂须A梯缺口的中空管，而2根壓力傳導柱是其頂端具有半切頭缺口的圓柱體。壓力傳導柱、基準壓力柱、導壓彈性膜片與殼體為一體化結(jié)構(gòu)。

QFSR置于2根壓力傳導柱的相對階梯缺口之間，并利用無應力封接法構(gòu)成復合石英梁。基準壓力柱頂端固定在壓力傳導柱之間的連接件上，基準壓力柱的頂端有導壓孔，當壓力作用在導壓膜片時，膜片產(chǎn)生上凸形變，受到基準壓力柱的牽引作用，2根壓力傳導柱產(chǎn)生向內(nèi)的壓縮形變，從而將被測壓力轉(zhuǎn)換為平行于石英X軸(電軸)的壓縮力，并施加給QFSR。

1.2 QPTS的工作機理

設AT切型厚度切變模式QFSR的長度方向為X軸，在參考溫度T0時其壓力為零，供電電壓為V0，基準振蕩頻率為f01，作為被測壓力函數(shù)的頻率變化量為Δfp1，作為被測壓力介質(zhì)溫度函數(shù)的頻率變化量為ΔFT1,則當溫度為T、壓力為P時，QFSR的輸出頻率f1由式(1)表示

f1=f01+Δfp1+ΔFT1

(1)

另外，設溫度為T時，QTSR的標準頻率為f02，作為被測壓力函數(shù)的QTSR頻率變化量為Δfp2，作為被測壓力介質(zhì)溫度函數(shù)的QTSR頻率變化量為ΔFT2,由于Δfp2=0，因此，在溫度為T，壓力為P時，QTSR的輸出頻率f2由式(2)表示

f2=f02+ΔFT2

(2)

則輸出頻率差為

f1-f2=f01+Δfp1+ΔFT1-(f02+ΔFT2)

(3)

由于QFSR和QTSR是單片式一體化結(jié)構(gòu)，并且置于同一個殼體內(nèi), 因此ΔFT1≈ΔFT2，顯然

f1-f2=f01+Δfp1-f02

(4)

式中f01和f02均已知。從式(4)的兩邊分別減去(f01-f02)，整理后可以得到頻差

δf=f1-f2-(f01-f02)=Δp1

(5)

若f01和f02相等，則

δf=f1-f2=Δfp1

(6)

則壓力—頻率的斜率(靈敏度)Sf為

Sf=Kf·f2/(D.n)

(7)

式中Kf為頻率常數(shù)；f為QFSR工作頻率；D為QFSR承受力的尺寸；n為泛音次數(shù)。則AT切型一體化結(jié)構(gòu)的QPTS可將QFSR作為被測壓力和溫度的二元函數(shù)頻率特性變成僅隨著被測壓力變化的一元函數(shù)特性，即，根據(jù)QFSR的Δfp1可知被測壓力值。

2 QPTS的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點

2.1 AT切型QPTS的新型結(jié)構(gòu)

AT切型厚度切變模式諧振器是一種經(jīng)典的QFSR。早在1959年，G.Sauerbrey即提出[4]：當AT切型QFSR的厚度薄到適當尺寸時，壓力靈敏度與QFSR的厚度平方成反比，即晶片愈薄，壓力靈敏度愈高。此外，其壓力靈敏度還受金屬電極材料的種類、薄膜金屬電極制作工藝、薄膜表面形態(tài)和內(nèi)部金相結(jié)構(gòu)以及與其接觸的媒質(zhì)之間的摩擦、粘滯作用等影響。上述因子均可能導致靈敏度下降，因此，存在一個最佳值問題。然而G.Sauerbrey的觀點多年來卻沒有引起人們的重視。本文根據(jù)G.Sauerbrey的觀點進一步創(chuàng)新，研制了新型結(jié)構(gòu)QPTS。

QPTS的基礎和關(guān)鍵是高Q值的QFSR和QTSR的設計和制備。兩者皆采用AT切型。根據(jù)式(7)可知，Sf和f2成正比，而和n成反比，因此，提高Sf的關(guān)鍵技術(shù)是采用基頻工作，提升工作頻率和減小受力處的尺寸。

AT石英的X軸和Z′軸方向的彈性常數(shù)不等，導致聲體波在X軸和Z′軸方向的傳輸常數(shù)不同，因此，其振動位移截面的分布圖為橢圓形。常規(guī)的電極結(jié)構(gòu)能阱效果差，Q值低，輪廓振動寄生模式強。為了提高Q值，減少邊緣的模式轉(zhuǎn)換，防止輪廓振動寄生模式形成駐波，必須選擇最佳的邊比(長度L/寬度W)值，并對石英片進行形體修飾：先利用濕法刻蝕技術(shù)對QFSR粗加工，使其QFSR長度方向為X軸，其長度尺寸為L，寬度尺寸為W，取向為Z′軸；然后利用激光調(diào)整修正其邊緣和形貌。

在QPTS中的設置了與QFSR關(guān)鍵特性參數(shù)相近的一體化AT切型QTSR。其長邊方向與石英的X軸成45°～75°角，且f02與QTSR在壓力等于零時的f01相近，但不相等。因此，盡管QTSR受到壓力作用，但其頻率—壓力變化率仍為零，即對壓力不敏感，而溫度靈敏度卻比較高。另外，在QFSR和QTSR晶片連接處，利用刻蝕工藝和激光裝置加工一些直徑約為1 mm的通孔作為應力阻尼孔，以便改變QFSR和QTSR連接處的聲阻抗，降低各個振動模式之間的聲耦合，提升對寄生振動模式的抑制度，獲得高Q值和優(yōu)異的時間穩(wěn)定性。單片式QFSR和QTSR的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 單片式QFSR和QTSR的結(jié)構(gòu)示意圖

通過選擇適宜的激勵和接收電極尺寸以及制備多層膜電極，可提升能阱效果，增強對彎曲振動、伸縮振動寄生模式的抑制。QFSR電極尺寸為4.0 mm×2.5 mm；QTSR的電極尺寸為2.39 mm×1.25 mm；電極膜皆為4層結(jié)構(gòu)，依次為Cr,Au,Cr和Au層。與常規(guī)電極相比，其動態(tài)電阻可以減少8 Ω左右。

2.2 QPTS無應力封接方案

QFSR與導壓彈性體、壓力—伸縮力變換器的無應力封接是高精度QPTS的關(guān)鍵技術(shù)之一。不適宜封接操作將減少Q(mào)FSR的Q值，降低其分辨率和時間穩(wěn)定性。導壓彈性體在導壓的同時也會產(chǎn)生一些不良后果：

1)與QFSR彈性常數(shù)不相等的導壓彈性體受力后，在QFSR與導壓彈性體之間將產(chǎn)生相對位移，尤其是石英晶體的彈性常數(shù)為各向異性的，很難與常規(guī)彈性體匹配。此外，聲體波在AT切型QFSR的X軸和Z′軸向上的傳輸常數(shù)不等，導致其振動位移分布圖呈橢圓形，從而更增加了無應力封接的難度。

2)導壓彈性體或壓力—伸縮力變換器與QFSR之間的不適宜的封接將帶來蠕變、遲滯。

3)不同材料的封接將產(chǎn)生熱應力，可是目前包括低溫玻璃粉在內(nèi)的任何黏結(jié)劑幾乎都是各向同性材料，因此，利用常規(guī)封接工藝對各向異性的QFSR進行封接，將帶來較大的熱應力。

由于QPTS的關(guān)鍵部件主要是由石英晶體材料和柯伐合金構(gòu)成的，因此，只需對壓力傳導柱與QFSR接合處進行無應力封接即可獲得優(yōu)良的效果。

首先選擇熱膨脹系數(shù)接近于石英晶體的單晶硅材料，再采用下述工藝制作一體化結(jié)構(gòu)件：利用光刻和各向異性刻蝕法制作2片近似于半圓形的單晶硅結(jié)構(gòu)件，然后采用半導體工藝使其上表面和側(cè)面形成厚度為80 μm左右的非晶態(tài)SiC層，再用異質(zhì)外延法在SiC層上生長厚度小于10 μm的SiO2層。然后應用氧等離子表面活性化法使其與QFSR鍵合，形成一體化的力敏結(jié)構(gòu)件。最后用靜電封接法在一體化力敏結(jié)構(gòu)件兩端封接上半圓形硼硅酸鹽玻璃片，用低溫玻璃粉將它們與柯伐合金的壓力傳導柱燒結(jié)在一起，形成剛性連接的無應力封接體。

制作非晶態(tài)SiC層的目的是在單晶硅上生長一層晶格常數(shù)差別大的SiO2異質(zhì)外延層，以便與QFSR半圓形端頭的下表面實現(xiàn)無應力封接。非晶態(tài)SiC層的彈性佳，并能起到緩沖作用。當環(huán)境溫度變化時，雖然硅和石英材料的熱膨脹系數(shù)不等，但由于非晶態(tài)SiC層的應力吸收作用，使得熱應力對QPTS的不良影響可以忽略。因為非晶態(tài)SiC層與單晶硅、石英晶體材料、硼硅酸鹽玻璃、柯伐合金之間均為剛性接合，所以，能夠完全滿足QPTS的精密、高穩(wěn)定的封接要求。

3 測量與討論

利用ANSYS有限元模式(FEM)軟件對設計的QPTS殼體、導壓彈性膜片、壓力傳導柱、基準壓力柱、壓力—伸縮力變換器等進行了應變數(shù)字仿真。仿真結(jié)果中的馮·米塞斯彈性應變(Von mises elastic strain )如圖3所示。

圖3 QPTS的導壓件、壓力—伸縮力變換器等的馮·米塞斯彈性應變圖

利用一等標準活塞壓力計、一等標準鉑電阻溫度計、美國福祿克恒溫水槽等對QPTS進行了靜態(tài)標定和穩(wěn)定性實驗，其結(jié)果示見表1。

表1 QPTS技術(shù)指標

常溫下，利用HP4149A型網(wǎng)絡分析儀測得：QFSR的f01為15.592 MHz;動態(tài)電阻為25 Ω；QTSR的f02為15.694 MHz，動態(tài)電阻為36 Ω；Q值高達15,000～16,500。顯然比常規(guī)設計方法的動態(tài)電阻小很多。此外，QFSR和QTSR的頻譜干凈：在歸一化頻率0.99～1.01內(nèi)，寄生模式的抑制可達30～35 dB。為QPTS的高分辨率和長期穩(wěn)定性奠定了基礎。

4 結(jié)束語

提出了一種采用QFSR和QTSR的單片式QPTS設計方案、單片式QPTS結(jié)構(gòu)、無應力封接方法以及新型壓力—伸縮力變換器。設計的單片式QPTS具有技先進性、新穎性和實用性。申報的中國發(fā)明專利正處于實質(zhì)審查階段。

在QPTS設計方案中，無應力封接方案有效地利用了石英、單晶硅、非晶態(tài)SiC、硼硅酸鹽玻璃和柯伐合金特性的配合以及壓電器件、玻璃冷加工和特殊半導體工藝改善了QFSR的本征特性，提高了QPTS的技術(shù)指標。為解決石英傳感器行業(yè)存在的“高精度、寬量程、寬溫區(qū)、低成本、小型化不易兼顧的矛盾”解決了某些難題，但是限于人力、物力的不足，實驗比較粗糙，理論探索尚顯蒼白。

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Design of monolithic piezo-resonant quartz pressure-temperature sensors

SONG Guo-qing, YAO Dong-yuan , ZOU Xiang-guang, XIE Sheng-qiu

(The 49th Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

The design of a monolithic piezo-resonant quartz pressure-temperature sensors using quartz force sensing resonator(QFSR)-quartz temperature sensing resonator(QTSR)，a structure for monolithic quartz pressure-temperature sensors(QPTS)，a stress-free sealing scheme for quartz pressure sensor and a new type of pressure-contractility converter are proposed.The monolithic QPTS is composed of QFSR and QTSR,which uses AT cut quartz crystal and thickness shear mode,the difference is that the angle between the long edge orientation of the QTSR andXaxis of quartz crystal is 60°.The stress-free sealing scheme for QFSR and QTSR is a combination of quartz,single crystal silicon,non-crystalline SiC，borosilicate glass and Kovar alloy,and the QFSR and QTSR are modified by chemical etching technology and physical modification technology about quartz and the new technology for semiconductor.A non-crystalline SiC layer is prepared in order to achieve the stress buffer:although the mismatch of coefficient of thermal expansion of silicon and quartz,but the non-crystalline SiC layer between the silicon and quartz layers can well absorb the thermal stress,it will become stress-free structure.

quartz pressure-temperature sensor(QPTS); piezo-resonant; monolithic; thickness-shear mode; pressure contractility converter; non-crystalline SiC; stress-free sealing

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0102—04

2017—03—31

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0102—04

宋國慶(1964-)，男，高級工程師，主要從事傳感器技術(shù)與制造工藝技術(shù)研究工作。