[发明专利]单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器

说明书

本发明涉及真空传感技术领域，且公开了一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器，由五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片、石英真空敏感谐振器管座和石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽构成，所述五叉臂面弯曲模石英音叉谐振器片置于所述石英真空敏感谐振器管座和所述石英音叉真空敏感谐振器抗污防潮过滤帽所构成的真空敏感谐振器封装部件内，(yxtl)‑24°～‑50°/5°～15°切型石英晶体颇适宜面弯曲模的单片型双开端五叉臂石英音叉真空敏感谐振器以及面弯曲模的单片型双组开端‑闭端的五叉臂石英音叉真空敏感谐振器使用，其温度稳定性远优于现在的单闭端石英音叉式和双闭端石英音叉谐振器。

技术领域

本发明涉及真空传感技术领域，它涉及一种谐振式石英音叉真空敏感谐振器，特别涉及一种单片式面弯曲模双耦合五叉臂石英音叉真空敏感谐振器。

背景技术

近年崭露头角的谐振式石英音叉真空传感器颇具有生命力。它的核心部件——石英音叉真空敏感谐振器主要有两种形式，第一种为单闭端厚度弯曲模二叉臂石英音叉真空敏感谐振器,如中国专利CN201710742649.5所使用的敏感元件，第二种为双闭端厚度弯曲模二叉臂石英音叉真空敏感谐振器，如中国专利CN103940548所使用的敏感元件。遗憾的是目前它存在以下不足：

1)灵敏度有待提高

石英音叉真空敏感谐振器的工作原理是利用真空中残存气体粘性和质量加载产生的阻尼导致音叉动态电阻Z变化的阻抗型真空传感器。无论单闭端石英音叉式,例如CN103940548还是双闭端石英音叉，例如CN103940548都是采用厚度弯曲振动模式，其音叉的叉臂厚度t比较小，尤其是双闭端石英音叉大都采用湿法刻蚀技术制作，其厚度通常为0.04～0.10mm，与真空中残存气体的摩擦和阻尼比较小。提高灵敏度，现在的方法有三：

第一个方法是增加石英音叉的叉臂长度L；这将导致频率降低，为了保持原频率，必须大幅度增加叉臂宽度B，将使石英音叉形体制作的相对误差比率劣化，工艺难度增大。尤其是受到当前双面曝光设备和石英各向腐蚀工艺技术的限制，提高其灵敏度比较困难。第二个方法是增大叉臂厚度t，可是受到石英湿法刻蚀工艺的纵横向腐蚀速率差异大的约束，石英音叉厚度t超过0.12mm时，其侧蚀现象和残岛缺陷严重，明显地影响其敏感特性。第三个方法增加叉臂宽度B，这将导致频率升高，体积增大。为了保持原频率，必须减少L。总之，受到目前工艺设备，特别是双面石英光刻机要求必须同时实现大面积曝光和高分辨率。此外，石英光刻工艺还涉及纯金膜的高分辨刻蚀问题。因此，提高灵敏度，困难重重。

2)量程下限需要拓宽，温度稳定性急需改善

石英音叉真空敏感谐振器的测量下限并不是完全由Z的变化量决定的，还取决于温度的变化、Z0的电噪声以及传感器的使用时间，即所谓的“温飘”和“时飘”。换言之，拓宽工作温度范围的同时还要改善温度稳定性。实验表明，在10～1Pa真空范围内，其(Z-Z0)等于数千欧姆，而真空范围为1Pa～0.1Pa时，则(Z-Z0)却仅为数十欧姆。即随着真空度的提高，(Z-Z0)逐渐变小。遗憾的是，倘若温度在-20～60℃范围改变，那么其Z0可能变化数千欧姆。显然在较高真空范围，Z0的温度误差就上升为主要矛盾。通常，Z0的温度系数为10～20Ω/℃,可是在压力低于102Pa时，温度每变化10℃，其压力误差为百分之几，而在较高压力下，例如1个大气压下，即使温度变化50℃，其压力误差也仅为1％，如果温度变化100℃，那么其压力误差也仅为2％。即温度误差已成为扩展QRVS量程下限的技术瓶颈。

3金属电极对Z0特性不良影响的减少与消除

金属电极的材质、膜厚控制及工艺质量将引起音叉质量负载和静态电阻R0的变化，此外电极的吸潮、氧化、腐蚀、老化都能引起其Z0和R0的改变。金属电极易被活性气体，例如活性氧、氯、氟气氧化或腐蚀，导致Z0和R0变大。实验表明，置于氯、氟气氛的石英音叉，只要1个星期左右的时间，Z0和R0就可能增加1.5～2倍。

4长期稳定性有待提高