采用无电极谐振音叉的石英真空传感器设计

宋国庆， 王长虹， 邹向光， 王万生， 王俊巍， 姚东媛

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨150001)

采用无电极谐振音叉的石英真空传感器设计

宋国庆， 王长虹， 邹向光， 王万生， 王俊巍， 姚东媛

(中国电子科技集团公司第四十九研究所，黑龙江哈尔滨150001)

提出了一种基于气体输运现象的双参数谐振石英真空传感器(QRVS)。与传统QRVS不同，在(zyw)-18°15′切型的石英音叉片本体无任何电极设置,构成“无电极型谐振音叉”；采用频率和等效串联电阻值的双参数谐振敏感机制，且音叉厚度t与两叉臂间距g之比为t/g=10。为了增大叉臂与真空中残存气体的机械摩擦阻尼，在叉臂的前端制备了4枚通透沟槽。为了抑制寄生振动模式，提高品质因数Q值和叉臂根部的机械疲劳寿命，在两叉臂的边缘分别制作了半圆形台阶，在支撑隔离区加工了2～5枚矩形槽。典型样品实测数据表明：真空测量范围为10-3～105Pa ，分辨率为3×10-3Pa，准确度为10 %F.S，稳定性为1.5×10-3Pa,达到了设计要求。

石英真空传感器； 双参数谐振； 无电极谐振音叉； 音叉厚度与两叉臂间距比； 通透沟槽； 半圆形台阶

0 引 言

目前，真空传感器技术薄弱，但在航空、航天、船舶、半导体工业中有广泛应用。跳伞系统执行机构、超高层大气监测、地表至100 km的探测气球工程等急需一种压力范围为10-3～105Pa的真空传感器，但目前现有传感器动态范围窄，灵敏度低，响应速度慢，体积大、功耗大，例如：皮拉尼(Pirani)式。由于结构原因导致耐机械振动和冲击能力差，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。当飞行器高度为100 km时，由于飞机或火箭内部设备将带来数千赫兹、数十GHz的振动，目前的真空传感器在该条件下几乎均无法良好地工作[1～4]。采用电容压力敏感元件的真空传感器，其量程下限越低，体积越大，技术指标越差，更不适宜在10-3～105Pa范围内使用，例如美国ECC型臭氧探空仪中的电容式压力传感器的真空传感器在40 km高度时，其准确度仅为20 %[1,4]。目前量程为10-3～105Pa的我国国家级标准真空检定系统[5]的不确定度仅为±10 %F.S。

近几年，石英真空传感器(QRVS)[1～6]可以扬长避短，其按照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石英真空传感器QRVS[1～4]，其灵敏度不高：当F从10-4Pa变化至100 kPa时，其f仅变化几赫兹。

2)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等效串联电阻值Z变化的阻抗型石英真空传感器QRVS[1,3,6,7]，灵敏度高：当F从10-4Pa变化至100 kPa时，通常Z可从10-2kΩ增加到100 kΩ。因此，测量Z的变化，即可获得真空度。

为了扩展量程，提高准确度，改善长期稳定性和可靠性，开展了采用无电极音叉的双参数谐振式石英真空传感器的设计和测试工作。目前国内尚无同类的石英真空传感器报导。

1 采用无电极谐振音叉的QRVS工作原理

一种利用弯曲振动模式的石英音叉谐振器(QTF)的等效串联电阻值Z随着气体压力F变化原理工作的基于气体输运现象的真空传感器[1～4,5,7]。QTF由2枚平行的欧拉—贝努利(Euler-Bernoulli)石英叉臂和一块支撑和隔离的石英基体构成。在普通QRVS的每个欧拉—贝努利石英叉臂的4个物理面分别设置了激励—接收金属电极，从而2枚平行的欧拉—贝努利石英叉臂能够产生异相弯曲振动。当置于被测真空中时，由于受到残存气体粘性和质量效应产生的阻尼影响，导致音叉的谐振频率f和品质因数Q值(与振动振幅、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的平方根成正比。显然，根据Z与Z0之差，即可准确地测量出真空度。Zo为固有等效串联电阻值(即在高真空下的等效串联电阻值)。

根据滑移理论(slip theory)和密立根的经验公式(the empirical formula of Milliken),在全压力范围(分子流、中间流和粘性流领域)内，其等效串联电阻值的变化量ΔZ为[1， 4]

(1)

式中C为常数；R为石英音叉片的1/2厚度；η为真空中残存气体的视在粘度系数；ρ为真空中残存气体的密度；ω为石英音叉的谐振角频率。

QRVS的灵敏度主要由石英音叉的结构尺寸决定。在气压较低，即真空度较高时，其Z随着真空度的变化趋势比较陡峻，并与t成正比[1～4]

ΔZ=Z-(Z0+ZT)∝L3/M·t

(2)

式中ZT为在温度T时Z0的补偿值；M为音叉擘宽度。

换言之，真空度比较高时，其灵敏度比较高，然而真空度比较低时，Z随着真空度的变化趋势比较平缓，与t的平方根成正比，灵敏度变差[1～4]

ΔZ∝L2/M·t1/2

(3)

本文方法与普通QRVS的根本区别在于谐振音叉的激励—接收电极设计、制备和安装技术。其激励—接收电极未设置于音叉片本体上，而是分别装配于各叉臂周边，并间隔微小间隙，如图1。

图1 两种传感器音叉叉臂对比

当各电极片与叉臂周边的微小间隙等于零时，则无电极的QRVS即为普通QRVS。

当QRVS外电路接通时，由于静电效应的缘故，如图1(b)所示，新结构激励—接收电极在叉臂的各个对应区域分别形成了相应的静电场和电力线。由于石英晶体具有压电性，因此,由于逆压电效应作用，在所述的叉臂静电场区域产生弯曲形变。由于外电路不断地供给能量，则形成了弯曲振动。当弯曲振动的叉臂受到被测气体阻尼和摩擦作用时，其机械振动参数发生了变化。因为正压电效应的作用，在上述的叉臂非接触电极对应区，分别建立了新的电场信号。该电场信号通过上述叉臂与其周边间隙之间的电容耦合传递给非接触电极装置，并输出给QRVS外电路。因此，利用该非接触电极能够接收和输出QRVS的敏感信号。

2 新型QRVS的设计及关键技术

2.1 无电极音叉的双参数谐振QRVS结构设计

图1(a)为其结构示意图。在石英音叉裸片的前、后、左、右各面以及两叉臂之间分别插入与两叉臂平行的相同切型的多枚石英片，其与叉臂的距离等于音叉谐振波长的整数倍，且在面对叉臂方向的石英基片上分别制作了铬—金薄膜电极，然后将各电极分别利用引出导线与外电路连接。

图1(b)示出其叉臂横断面的示意图。为了对比，图1(c)给出了具有电极的常规石英音叉臂横断面示意图[8,9]，图3给出了无电极型音叉片的结构。

2.2 无电极型音叉与双参数谐振QRVS设计新理念

其设计理念是建立在石英音叉的f对F的灵敏度甚低(实验证明，F从10-4Pa变化至100 kPa，其f仅变化几赫兹)[1～4]之基础上。因此，可以将f，Z，F，T的2个的四元函数方程组简化为2个一元函数线性方程组之关系。显然能够综合地利用石英音叉的双谐振参数f和Z同时地敏感真空度和温度量，并进行温度特性的实时补偿；不仅消除了真空测量的温度误差，提高了准确度，而且拓宽了量程的下限。

使用新切型和创新结构的石英音叉，综合地利用f和T的线性函数关系(如图2直线a)以及(Z0+ZT)与T的一一对应特性(如图2曲线b)，检测音叉的f能够确定T值(如图2点A)，再根据T值推算出(Z0+ZT)值(如图2点B)。此时只要测量出Z值，计算差值ΔZ=Z-(Z0+ZT)，可精密地确定真空度值。

图2 新型QRVS的f-T特性和(Z0+ZT)-T特性曲线

设计采用了一种通过压电场和静电场实现激励—接收功能接触式电极，消除了金属电极与石英材料物理扩散导致材料的“扩散改性”和“压电变硬”以及电极层与叉臂之间的热应力问题。因此，不仅提高了传感器的灵敏度，而且改善了长期稳定性、可靠性。

设音叉片厚度为t,两叉臂的间距为g,在多次实验数据的基础上，最终确定t/g=10，以便提升灵敏度，拓宽量程下限。

2.3 关键技术和创新点

1)(zyw)-18°15′新切型石英的使用

为了获得高灵敏度，增大压电活性，选择了适宜双参数谐振QRVS的新切型——(zyw)-18°15′。 该切型音叉的机械和电学Q值均比较高，并且Z随着真空度的变化大。初步测量表明，该音叉在-50～100 ℃温度范围内的一阶温度系数a=-20×10-6/℃，并且其机电耦合系数较大，压电活性高。

2)与传统的设计参数不同[1,4,9]，为了提高其灵敏度，取音叉的t/g=10。

3)为了充分地利用残存气体的粘性效应，增大叉臂与其摩擦力，用激光或超声法在常规叉臂的调频区，沿着叉臂长度方向加工4枚通透沟槽。

4)为了抑制寄生振动模式，减少叉臂根部的机械疲劳，在两叉臂的外边缘制作了半圆形台阶[8]，同时在音叉的支撑隔离区，以每枚叉臂的中心线为对称轴加工了2～5枚矩形通透槽[8]。

5)通常金属电极向周边气体散射谐振能量，导致Q值变小，传感器灵敏度降低，所以，本文设计采用如图3所示的“无电极石英音叉片”方案。

图3 无电极型石英音叉片结构

设置在音叉周边的带有金属膜的各个石英薄片的切型和取向与相邻叉臂的切型和取向完全相同。间距误差基本相同。

3 新型QRVS样品制备

采用机械切叉法制作石英音叉[3，7～9]，其切型是(zyw)-18°15′，片厚为5.2 mm，t/g=10。在叉臂长度方向上加工4枚通透沟槽，并且在两叉臂的外边缘处分别制作了半圆形台阶[8，10],在音叉的支撑隔离区，以每枚叉臂的中心线为对称轴加工了5枚矩形通透槽[8]。在石英音叉片的前后、左右和两叉臂之间分别插入与叉臂平行的相同切型石英片。所述的各石英片与叉臂的间距等于音叉谐振波长的整数倍，并且在相同切型石英片的朝向叉臂的表面分别制备了铬—金膜电极，其中，铬膜厚度为0.4 μm，金膜厚度为0.6 μm。音叉外形尺寸为18 mm×3.5 mm×1.0 mm，利用点焊法使各电极分别焊上金属引线，并且与外电路连接。制备的QRVS样品的外形尺寸为40 mm×20 mm×15 mm。

4 测试结果与讨论

4.1 测试结果

经实测，石英真空传感器QRVS典型样品的温度分辨率可达0.02 ℃，准确度为0.1 ℃，能够补偿温度变化产生的0.2 Ω的Z0误差，从而使其量程下限可扩展至5×10-3Pa。典型样品的实测技术指标如下(测试温度为25～30 ℃)：真空测量范围为10-3～105Pa ；分辨率为3×10-3Pa；准确度为10 %F.S；稳定性为1.5×10-3Pa；响应时间优于0.3 s(10-3～105Pa范围)。

4.2 讨 论

4.2.1 关于石英音叉无电极技术探讨

提高长期稳定性是QRVS的关键技术,音叉的无电极技术可以提高其准确度和长期稳定性，主要表现在:

1)叉臂上的金属电极能够给音叉带来某些应力，引起f漂移和Z0的变动。

石英的切、磨、抛、切叉等光学冷加工、化学刻蚀、蒸发或溅射金属电极等工序均可能给叉臂带来应力：石英表面残余加工层中的应力，石英表面和电极之间的界面应力、叉臂的弯曲振动在电极或石英表面产生的应力、音叉的装配带来的应力、电极引线产生的张力等皆能引起f和Z0的变化。所述的应力大都随着温度变化，产生温漂。该应力也随着使用时间逐渐降低，但是也可能又产生了新的应力，出现时漂。显然，应力的释放或产生皆影响其准确度和长期稳定性。

2)金属电极的质量加载、氧化、重结晶效应将引起f漂移和Z0的变动。

电极对真空中残存气体的吸附和解吸，电极材料的氧化、腐蚀均将引起质量加载的改变；金属电极材料随着使用时间能产生重结晶现象，也将引起质量加载的变动；叉臂上的金属电极与石英材料的相互扩散将引起其弹性模量、压电常数、介电常数和附着力的变化，从而引起f漂移和Z0的变动。

设计中电极未置于音叉片本体，与其间隔一微小的缝隙，因此，可降低或消除音叉的温漂和f漂移和时漂，提高其准确度和长期稳定性。其缺点是需要精确设计和良好的工艺技术。

4.2.2 关于叉臂的通透型沟槽方案探讨

该沟槽通过以下设计可提升音叉传感器的灵敏度：

1)因通透沟槽的取向与叉臂的振动方向垂直，故可增大振动阻尼。此外，显著地增加了叉臂表面不平度，提升了与残存气体的摩擦力，增加了Z0的变化量。

2)通透沟槽显著增大了与残存气体的接触面积，从而叉臂能与更多的气体分子接触，提升碰撞频次，增大Z0的变化量。缺点是增加了工序，加大了成本。

5 结束语

为解决QRVS行业的高灵敏度、宽量程、优异的长期稳定性和低成本不可兼得的问题提出了新思路，新方法，达到了设计要求，但由于受到时间、设备和经费的限制，工艺粗糙，理论分析肤浅，深入的工作有待今后进行。

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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

宋国庆(1964-)，男，工学学士，高级工程师，主要从事传感器技术及其制造工艺技术研究。