[发明专利]一种面弯曲模双耦合的单片式高灵敏石英音叉真空传感器

说明书

本发明涉及石英真空传感器技术领域，且公开了一种面弯曲模双耦合的单片式高灵敏石英音叉真空传感器，它包括叉臂数量n≥3的面弯曲模的单片型双开端多叉臂石英音叉真空敏感谐振器、可伐合金基座、真空传感器壳体、信封形插板式固定结构、聚四氟乙烯—膨胀石墨组合斥水密封垫、陶瓷纤维防水密圈、抗污防霉过滤罩、在‑180至+350℃可自恢复自净化的防尘抗油污陶瓷过滤帽。所述面弯曲模的单片型双开端多叉臂石英音叉真空敏感谐振器采用的是(yxtl)‑24°～‑50°/5°～15°切型双转角石英晶体、基波‑面弯曲振动模式，并通过增大臂宽及对各叉臂电极面积进行“海明加权”，增加与真空中残存气体摩擦和质量加载，提升其动态电阻的变化量，改善真空灵敏度、稳定性。

技术领域

本发明涉及石英真空传感器技术领域，具体为一种面弯曲模双耦合的单片式高灵敏石英音叉真空传感器。

背景技术

真空传感器是目前一种技术薄弱，但是颇有应用前景的传感器，在核工业、航空、航天、船舶、半导体工业中颇有市场，例如：核电站需要一种耐辐照、抗高磁场的高精度真空传感器；航空系统的跳伞执行机构、航天领域的超高层大气监测、地表至100Km的探测气球工程等部门急需一种耐机械振动、冲击、压力范围为10⁵～10-3Pa的高稳定真空传感器，可是其现状却不乐观：

现有真空传感器，例如：皮拉尼(Pirani)式、电离式热阴极式、金属隔膜式真空传感器动态范围窄，灵敏度低，响应速度慢，体积大、功耗大，大都不具有耐辐照、抗高磁场特性，此外因为其结构原因导致耐机械振动和冲击能力差，有的使用时还需要加热，不适宜高温下使用，也不能用于易燃、易爆场合特别不适宜飞行器使用，例如飞行高度为100Km的观测火箭，当火箭发射时，包括真空计在内的各种设备将要承受数KHz、数十G加速度的振动和冲击，遗憾的是目前的各种真空传感器在该条件下几乎都不能良好地工作。

目前也有人利用电容微压力传感器敏感真空压力，例如美国ECC型臭氧探空仪中的电容式微压力传感器作为真空传感器使用，在40Km高度时(压力小于为3hPa)，其准确度仅为20％，完全不能满足火箭用真空传感器的要求。可是近年崭露头角的谐振式石英音叉真空传感器(以下简写为RQFVS)却颇吸引人。它的主要类型有两种形式：

1)、单闭端石英音叉式真空压力传感器，例如中国专利CN201710742679.5；

2)、双闭端石英音叉真空压力传感器，例如中国专利CN103940548。

RQFVS按照其工作原理大致可分为两大类：

1)利用其谐振频率f与气体压力F的对应关系制备的频率输出型RQFVS，其灵敏度不高：当气体压力F从10-4Pa变化至100kPa时，其f仅变化几Hz。

2)利用真空中残存气体粘性和质量加载产生的阻尼引起音叉动态电阻Z变化的阻抗型RQFVS，其灵敏度高：当气体压力F从10-4Pa变化至100kPa时，通常Z可从10-2kΩ增加到100kΩ。

目前的RQFVS几乎都是基于气体运输现象的真空传感器。其中，绝大多数是利用弯曲振动模式RQFVS的Z随着F变化之原理工作的。当传感器置于被测真空环境中时，由于受到残存气体粘性和质量加载效应产生的阻尼作用，导致音叉的谐振频率f和Q值(其中，Q值是品质因数，Q值与振动的振幅、Z等参数相关)改变：在气体分子流领域，Z与F成正比，而在气体粘性流领域Z却与F的1/2次方成正比。显然，根据Z与Z0之差，就可以准确地测量出真空度。其中，Z0是固有动态电阻(即在标准真空度下的动态电阻)。

RQFVS的主要优点如下：