采用無電極諧振音叉的石英真空傳感器設計

宋國慶， 王長虹， 鄒向光， 王萬生， 王俊巍， 姚東媛

(中國電子科技集團公司 第四十九研究所，黑龍江 哈爾濱150001)

采用無電極諧振音叉的石英真空傳感器設計

宋國慶， 王長虹， 鄒向光， 王萬生， 王俊巍， 姚東媛

(中國電子科技集團公司第四十九研究所，黑龍江哈爾濱150001)

提出了一種基于氣體輸運現(xiàn)象的雙參數(shù)諧振石英真空傳感器(QRVS)。與傳統(tǒng)QRVS不同，在(zyw)-18°15′切型的石英音叉片本體無任何電極設置,構(gòu)成“無電極型諧振音叉”；采用頻率和等效串聯(lián)電阻值的雙參數(shù)諧振敏感機制，且音叉厚度t與兩叉臂間距g之比為t/g=10。為了增大叉臂與真空中殘存氣體的機械摩擦阻尼，在叉臂的前端制備了4枚通透溝槽。為了抑制寄生振動模式，提高品質(zhì)因數(shù)Q值和叉臂根部的機械疲勞壽命，在兩叉臂的邊緣分別制作了半圓形臺階，在支撐隔離區(qū)加工了2～5枚矩形槽。典型樣品實測數(shù)據(jù)表明：真空測量范圍為10-3～105Pa ，分辨率為3×10-3Pa，準確度為10 %F.S，穩(wěn)定性為1.5×10-3Pa,達到了設計要求。

石英真空傳感器； 雙參數(shù)諧振； 無電極諧振音叉； 音叉厚度與兩叉臂間距比； 通透溝槽； 半圓形臺階

0 引 言

目前，真空傳感器技術薄弱，但在航空、航天、船舶、半導體工業(yè)中有廣泛應用。跳傘系統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)、超高層大氣監(jiān)測、地表至100 km的探測氣球工程等急需一種壓力范圍為10-3～105Pa的真空傳感器，但目前現(xiàn)有傳感器動態(tài)范圍窄，靈敏度低，響應速度慢，體積大、功耗大，例如：皮拉尼(Pirani)式。由于結(jié)構(gòu)原因?qū)е履蜋C械振動和沖擊能力差，使用時還需要加熱，不適宜高溫下使用，也不能用于易燃、易爆場合。當飛行器高度為100 km時，由于飛機或火箭內(nèi)部設備將帶來數(shù)千赫茲、數(shù)十GHz的振動，目前的真空傳感器在該條件下幾乎均無法良好地工作[1～4]。采用電容壓力敏感元件的真空傳感器，其量程下限越低，體積越大，技術指標越差，更不適宜在10-3～105Pa范圍內(nèi)使用，例如美國ECC型臭氧探空儀中的電容式壓力傳感器的真空傳感器在40 km高度時，其準確度僅為20 %[1,4]。目前量程為10-3～105Pa的我國國家級標準真空檢定系統(tǒng)[5]的不確定度僅為±10 %F.S。

近幾年，石英真空傳感器(QRVS)[1～6]可以揚長避短，其按照工作原理大致可分為兩大類：

1)利用其諧振頻率f與氣體壓力F的對應關系制備的頻率輸出型石英真空傳感器QRVS[1～4]，其靈敏度不高：當F從10-4Pa變化至100 kPa時，其f僅變化幾赫茲。

2)利用真空中殘存氣體粘性和質(zhì)量加載產(chǎn)生的阻尼導致音叉等效串聯(lián)電阻值Z變化的阻抗型石英真空傳感器QRVS[1,3,6,7]，靈敏度高：當F從10-4Pa變化至100 kPa時，通常Z可從10-2kΩ增加到100 kΩ。因此，測量Z的變化，即可獲得真空度。

為了擴展量程，提高準確度，改善長期穩(wěn)定性和可靠性，開展了采用無電極音叉的雙參數(shù)諧振式石英真空傳感器的設計和測試工作。目前國內(nèi)尚無同類的石英真空傳感器報導。

1 采用無電極諧振音叉的QRVS工作原理

一種利用彎曲振動模式的石英音叉諧振器(QTF)的等效串聯(lián)電阻值Z隨著氣體壓力F變化原理工作的基于氣體輸運現(xiàn)象的真空傳感器[1～4,5,7]。QTF由2枚平行的歐拉—貝努利(Euler-Bernoulli)石英叉臂和一塊支撐和隔離的石英基體構(gòu)成。在普通QRVS的每個歐拉—貝努利石英叉臂的4個物理面分別設置了激勵—接收金屬電極，從而2枚平行的歐拉—貝努利石英叉臂能夠產(chǎn)生異相彎曲振動。當置于被測真空中時，由于受到殘存氣體粘性和質(zhì)量效應產(chǎn)生的阻尼影響，導致音叉的諧振頻率f和品質(zhì)因數(shù)Q值(與振動振幅、Z等參數(shù)相關)改變。

在氣體分子流領域，Z與F成正比，而在氣體粘性流領域Z卻與F的平方根成正比。顯然，根據(jù)Z與Z0之差，即可準確地測量出真空度。Zo為固有等效串聯(lián)電阻值(即在高真空下的等效串聯(lián)電阻值)。

根據(jù)滑移理論(slip theory)和密立根的經(jīng)驗公式(the empirical formula of Milliken),在全壓力范圍(分子流、中間流和粘性流領域)內(nèi)，其等效串聯(lián)電阻值的變化量ΔZ為[1， 4]

(1)

式中C為常數(shù)；R為石英音叉片的1/2厚度；η為真空中殘存氣體的視在粘度系數(shù)；ρ為真空中殘存氣體的密度；ω為石英音叉的諧振角頻率。

QRVS的靈敏度主要由石英音叉的結(jié)構(gòu)尺寸決定。在氣壓較低，即真空度較高時，其Z隨著真空度的變化趨勢比較陡峻，并與t成正比[1～4]

ΔZ=Z-(Z0+ZT)∝L3/M·t

(2)

式中ZT為在溫度T時Z0的補償值；M為音叉擘寬度。

換言之，真空度比較高時，其靈敏度比較高，然而真空度比較低時，Z隨著真空度的變化趨勢比較平緩，與t的平方根成正比，靈敏度變差[1～4]

ΔZ∝L2/M·t1/2

(3)

本文方法與普通QRVS的根本區(qū)別在于諧振音叉的激勵—接收電極設計、制備和安裝技術。其激勵—接收電極未設置于音叉片本體上，而是分別裝配于各叉臂周邊，并間隔微小間隙，如圖1。

圖1 兩種傳感器音叉叉臂對比

當各電極片與叉臂周邊的微小間隙等于零時，則無電極的QRVS即為普通QRVS。

當QRVS外電路接通時，由于靜電效應的緣故，如圖1(b)所示，新結(jié)構(gòu)激勵—接收電極在叉臂的各個對應區(qū)域分別形成了相應的靜電場和電力線。由于石英晶體具有壓電性，因此,由于逆壓電效應作用，在所述的叉臂靜電場區(qū)域產(chǎn)生彎曲形變。由于外電路不斷地供給能量，則形成了彎曲振動。當彎曲振動的叉臂受到被測氣體阻尼和摩擦作用時，其機械振動參數(shù)發(fā)生了變化。因為正壓電效應的作用，在上述的叉臂非接觸電極對應區(qū)，分別建立了新的電場信號。該電場信號通過上述叉臂與其周邊間隙之間的電容耦合傳遞給非接觸電極裝置，并輸出給QRVS外電路。因此，利用該非接觸電極能夠接收和輸出QRVS的敏感信號。

2 新型QRVS的設計及關鍵技術

2.1 無電極音叉的雙參數(shù)諧振QRVS結(jié)構(gòu)設計

圖1(a)為其結(jié)構(gòu)示意圖。在石英音叉裸片的前、后、左、右各面以及兩叉臂之間分別插入與兩叉臂平行的相同切型的多枚石英片，其與叉臂的距離等于音叉諧振波長的整數(shù)倍，且在面對叉臂方向的石英基片上分別制作了鉻—金薄膜電極，然后將各電極分別利用引出導線與外電路連接。

圖1(b)示出其叉臂橫斷面的示意圖。為了對比，圖1(c)給出了具有電極的常規(guī)石英音叉臂橫斷面示意圖[8,9]，圖3給出了無電極型音叉片的結(jié)構(gòu)。

2.2 無電極型音叉與雙參數(shù)諧振QRVS設計新理念

其設計理念是建立在石英音叉的f對F的靈敏度甚低(實驗證明，F(xiàn)從10-4Pa變化至100 kPa，其f僅變化幾赫茲)[1～4]之基礎上。因此，可以將f，Z，F(xiàn)，T的2個的四元函數(shù)方程組簡化為2個一元函數(shù)線性方程組之關系。顯然能夠綜合地利用石英音叉的雙諧振參數(shù)f和Z同時地敏感真空度和溫度量，并進行溫度特性的實時補償；不僅消除了真空測量的溫度誤差，提高了準確度，而且拓寬了量程的下限。

使用新切型和創(chuàng)新結(jié)構(gòu)的石英音叉，綜合地利用f和T的線性函數(shù)關系(如圖2直線a)以及(Z0+ZT)與T的一一對應特性(如圖2曲線b)，檢測音叉的f能夠確定T值(如圖2點A)，再根據(jù)T值推算出(Z0+ZT)值(如圖2點B)。此時只要測量出Z值，計算差值ΔZ=Z-(Z0+ZT)，可精密地確定真空度值。

圖2 新型QRVS的f-T特性和(Z0+ZT)-T特性曲線

設計采用了一種通過壓電場和靜電場實現(xiàn)激勵—接收功能接觸式電極，消除了金屬電極與石英材料物理擴散導致材料的“擴散改性”和“壓電變硬”以及電極層與叉臂之間的熱應力問題。因此，不僅提高了傳感器的靈敏度，而且改善了長期穩(wěn)定性、可靠性。

設音叉片厚度為t,兩叉臂的間距為g,在多次實驗數(shù)據(jù)的基礎上，最終確定t/g=10，以便提升靈敏度，拓寬量程下限。

2.3 關鍵技術和創(chuàng)新點

1)(zyw)-18°15′新切型石英的使用

為了獲得高靈敏度，增大壓電活性，選擇了適宜雙參數(shù)諧振QRVS的新切型——(zyw)-18°15′。 該切型音叉的機械和電學Q值均比較高，并且Z隨著真空度的變化大。初步測量表明，該音叉在-50～100 ℃溫度范圍內(nèi)的一階溫度系數(shù)a=-20×10-6/℃，并且其機電耦合系數(shù)較大，壓電活性高。

2)與傳統(tǒng)的設計參數(shù)不同[1,4,9]，為了提高其靈敏度，取音叉的t/g=10。

3)為了充分地利用殘存氣體的粘性效應，增大叉臂與其摩擦力，用激光或超聲法在常規(guī)叉臂的調(diào)頻區(qū)，沿著叉臂長度方向加工4枚通透溝槽。

4)為了抑制寄生振動模式，減少叉臂根部的機械疲勞，在兩叉臂的外邊緣制作了半圓形臺階[8]，同時在音叉的支撐隔離區(qū)，以每枚叉臂的中心線為對稱軸加工了2～5枚矩形通透槽[8]。

5)通常金屬電極向周邊氣體散射諧振能量，導致Q值變小，傳感器靈敏度降低，所以，本文設計采用如圖3所示的“無電極石英音叉片”方案。

圖3 無電極型石英音叉片結(jié)構(gòu)

設置在音叉周邊的帶有金屬膜的各個石英薄片的切型和取向與相鄰叉臂的切型和取向完全相同。間距誤差基本相同。

3 新型QRVS樣品制備

采用機械切叉法制作石英音叉[3，7～9]，其切型是(zyw)-18°15′，片厚為5.2 mm，t/g=10。在叉臂長度方向上加工4枚通透溝槽，并且在兩叉臂的外邊緣處分別制作了半圓形臺階[8，10],在音叉的支撐隔離區(qū)，以每枚叉臂的中心線為對稱軸加工了5枚矩形通透槽[8]。在石英音叉片的前后、左右和兩叉臂之間分別插入與叉臂平行的相同切型石英片。所述的各石英片與叉臂的間距等于音叉諧振波長的整數(shù)倍，并且在相同切型石英片的朝向叉臂的表面分別制備了鉻—金膜電極，其中，鉻膜厚度為0.4 μm，金膜厚度為0.6 μm。音叉外形尺寸為18 mm×3.5 mm×1.0 mm，利用點焊法使各電極分別焊上金屬引線，并且與外電路連接。制備的QRVS樣品的外形尺寸為40 mm×20 mm×15 mm。

4 測試結(jié)果與討論

4.1 測試結(jié)果

經(jīng)實測，石英真空傳感器QRVS典型樣品的溫度分辨率可達0.02 ℃，準確度為0.1 ℃，能夠補償溫度變化產(chǎn)生的0.2 Ω的Z0誤差，從而使其量程下限可擴展至5×10-3Pa。典型樣品的實測技術指標如下(測試溫度為25～30 ℃)：真空測量范圍為10-3～105Pa ；分辨率為3×10-3Pa；準確度為10 %F.S；穩(wěn)定性為1.5×10-3Pa；響應時間優(yōu)于0.3 s(10-3～105Pa范圍)。

4.2 討 論

4.2.1 關于石英音叉無電極技術探討

提高長期穩(wěn)定性是QRVS的關鍵技術,音叉的無電極技術可以提高其準確度和長期穩(wěn)定性，主要表現(xiàn)在:

1)叉臂上的金屬電極能夠給音叉帶來某些應力，引起f漂移和Z0的變動。

石英的切、磨、拋、切叉等光學冷加工、化學刻蝕、蒸發(fā)或濺射金屬電極等工序均可能給叉臂帶來應力：石英表面殘余加工層中的應力，石英表面和電極之間的界面應力、叉臂的彎曲振動在電極或石英表面產(chǎn)生的應力、音叉的裝配帶來的應力、電極引線產(chǎn)生的張力等皆能引起f和Z0的變化。所述的應力大都隨著溫度變化，產(chǎn)生溫漂。該應力也隨著使用時間逐漸降低，但是也可能又產(chǎn)生了新的應力，出現(xiàn)時漂。顯然，應力的釋放或產(chǎn)生皆影響其準確度和長期穩(wěn)定性。

2)金屬電極的質(zhì)量加載、氧化、重結(jié)晶效應將引起f漂移和Z0的變動。

電極對真空中殘存氣體的吸附和解吸，電極材料的氧化、腐蝕均將引起質(zhì)量加載的改變；金屬電極材料隨著使用時間能產(chǎn)生重結(jié)晶現(xiàn)象，也將引起質(zhì)量加載的變動；叉臂上的金屬電極與石英材料的相互擴散將引起其彈性模量、壓電常數(shù)、介電常數(shù)和附著力的變化，從而引起f漂移和Z0的變動。

設計中電極未置于音叉片本體，與其間隔一微小的縫隙，因此，可降低或消除音叉的溫漂和f漂移和時漂，提高其準確度和長期穩(wěn)定性。其缺點是需要精確設計和良好的工藝技術。

4.2.2 關于叉臂的通透型溝槽方案探討

該溝槽通過以下設計可提升音叉?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度：

1)因通透溝槽的取向與叉臂的振動方向垂直，故可增大振動阻尼。此外，顯著地增加了叉臂表面不平度，提升了與殘存氣體的摩擦力，增加了Z0的變化量。

2)通透溝槽顯著增大了與殘存氣體的接觸面積，從而叉臂能與更多的氣體分子接觸，提升碰撞頻次，增大Z0的變化量。缺點是增加了工序，加大了成本。

5 結(jié)束語

為解決QRVS行業(yè)的高靈敏度、寬量程、優(yōu)異的長期穩(wěn)定性和低成本不可兼得的問題提出了新思路，新方法，達到了設計要求，但由于受到時間、設備和經(jīng)費的限制，工藝粗糙，理論分析膚淺，深入的工作有待今后進行。

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Designofquartzvacuumsensorusingelectrodelessresonanttuningfork

SONG Guo-qing, WANG Chang-hong, ZOU Xiang-guang， WANG Wan-sheng， WANG Jun-wei, YAO Dong-yuan

(The49thResearchInstitute,ChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,Harbin150001,China)

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 " is called.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/gis 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 factorQvalue,and mechanical fatigue life of the fork arm root,the semicircular 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 10-3～105Pa,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.

quartz resonant vacuum sensor(QRVS); two-parameter resonance; electrodesless resonant tuning fork ;ratio of thickness of tuning fork to distance between two arms; ventilated groove;semicircular step

10.13873/J.1000—9787(2017)12—0104—04

TP 212

A

1000—9787(2017)12—0104—04

2017—10—31

宋國慶(1964-)，男，工學學士，高級工程師，主要從事傳感器技術及其制造工藝技術研究。