专利名称：具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种温度传感器，特别是一种测温范围宽、线性度好、响应速度快、一致性佳的谐振式精密高稳定柱状石英晶体传感器。
背景技术：
石英晶体是一种各向异性的压电单晶，对于晶体方位的改变，其物理特性有很大的不同。国内、外已经申报了很多关于揩振式石英晶体温度传感器的专利，与传统铂电阻等模拟传感器相比它们的最大优点是高稳定，抗干扰能力强，此外，输出信号是频率，分辨率高，测温准确度高，电源电压的变化对准确度影响甚微，例如，美国专利US4039969、US4398115、US4924132、US4547691、US4437773、US4592663、US5531091和US5607236，中国专利CN2223841Y(ZL94243623.7)、ZL95236820.X和ZL98219201.0，上述的石英晶体温度传感器主要有三大类，一类是采用厚度切变模式透镜型石英晶体温度传感器，其分辨率高，可达0.001℃，测温准确度可达0.02℃；第二类是声表面波类，它采用瑞利波模式工作，它的主要优点是响应速度快，但是其长期稳定性不高，由于工作频率大都100MHz左右，匹配外电路价格高；第三类是采用弯曲振动或扭曲振动的音叉型石英晶体温度传感器，其分辨率不及厚度切变式和声表面波式，但是其体积小(φ3×8或φ2×6)，响应速度快(时间常数小)可达0.9S，频率低，低于1MHz，外围电路便宜，简言之，它们各有优缺点，皆不能完全满足高精密、高分辨率、快响应的要求。此外，目前市售主要是厚度切变模式的石英温度传感器，它的主要发展方向是减少体积，提高响应速度。缩小厚度切变模式石英晶体传感器的体积，往往在主振动模式频率附近出现二阶或高阶寄生模式与主模式的耦合，由于该干扰模式的影响，使得传感器的输出频率/温度特性和压电活性/温度特性在某些温度上出现不连续点，甚至出现跳变，使传感器的特性变差，有时根本不能使用。
发明内容
由于石英晶体的谐振频率是由其工作振动模式、晶体的轮廓(例如厚度等)、密度、材料的弹性刚度和柔顺常数决定的。这些参数几乎皆随温度的变化而改变，此外，由于石英晶体是各向异性的，因此通过选择切型，控制晶体的方位、某些物理形状和尺寸等可以使其谐振频率仅随温度变化，并且是一一对应的，即石英晶体可以制作温度传感器。本发明的目的在于提供一种分辨率好、准确度高、响应速度快的具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器。其目的是这样实现的具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器包括管壳1、石英晶片2，石英晶片2在长度方向上的两个端面2-1为平面，在宽度方向上的两个端面2-2为平面，长度边长与宽度边长的比值为1.5～20，其在厚度方向上的两个面包含有曲面2-3，曲面2-3在长度方向的厚度分布规律符合指数函数的倒数关系。在石英晶片2的厚度方向上的两个面上还分别设有一个电极3，电极3的外形设置为蝙蝠状，并且其边缘呈波纹状，波纹的周期相同，所述两个面上的两个电极3相对设置，石英晶片2的单转角切型为θ0＝45°～55°或θ0＝-26°～-34.5°，双转角切型为θ0＝45°、φ0＝15°(逆时针转动方向为“正”，反之为“负”)。所述蝙蝠状电极3的最窄处宽度h1是最宽处宽度h2的一半。本发明的优点在于曲面在长度方向的厚度分布规律符合指数函数的倒数关系，使谐振式石英晶片2中央部分的振动位移增大，而在中央的两侧的X向，随着接近谐振器的Z’轴向的边缘，其振动位移逐渐减小，振动的位移衰减符合指数函数的倒数，构成了高效率的能阱结构。因此，串联等效电阻降低，可低至20Ω，即Q值大大提高。这导致其寄生信号剧烈下降，并且传感器的串联等效电阻可减少1/4～1/3，简言之，传感器的Q值可增大1/3左右。采用波纹边缘的蝙蝠状金属电极作为谐振器的激励电极和接收电极可以进一步降低寄生模式的振幅，提高传感器的线性度。公共电极4呈反L型，可以防止焊锡流入蝙蝠状电极3的区域，防止传感器参考频率的不一致和老化特性变差。使电极3呈中间区较窄，周边区较宽的蝙蝠状，则厚度切变模式与轮廓振动模式之间的耦合会大大降低，将最窄处的宽度设置为最宽处宽度的一半，可以使寄生信号的耦合强度降低5～15dB左右。将石英晶片2设置在稀有气体的气氛中，由于稀有气体对厚度切变振动的阻尼很�。淝穸�、长度伸缩振动、轮廓振动等寄生模式却受稀有气体的阻尼影响很大，其振幅衰减剧烈，导致很强的寄生模式抑制，因此厚度切变振动模式与其它的弯曲振动、长度伸缩振动和轮廓振动模式几乎不耦合。石英晶片2切割角的误差方向与它的固定安装方向匹配，不仅可以提高产品的一致性，而且降低了对定向切割的精度要求。另外石英晶体的固有长期稳定性使得温度传感器具有优良的老化特性；频率信号具有很高的分辨率，因此石英温度传感器能够测量很小的温度差；石英晶体传感器的功耗较�。室诵湔涫交蚴殖质揭潜硎褂�。本发明作为测温范围宽、体积小、线性度好、响应速度快、分辨率高、工艺简单、适宜大批量生产的谐振式石英晶体温度传感器，由于传感器的频率—温度特性呈线性关系，因此可以免去硬件线性补偿电路或单片机的软件线性补偿程序，直接读取频率，构成数字温度变送器或温度计。其抗机械振动、冲击能力大大提高，温度分辨率可以高达0.0009℃，准确度可达0.02℃，测温范围可达-200℃～+260℃(最高可达300℃)，线性度可达0.1％～0.05％。
图1是本发明的结构示意图，图2是单转角和双转角石英晶体2的坐标示意图，图3是具体实施方式
三的结构示意图。
具体实施例方式
一本实施方式包括管壳1、石英晶片2，石英晶片2在长度方向上的两个端面2-1为平面，在宽度方向上的两个端面2-2为平面，长度边长与宽度边长的比值为1.5～20，其在厚度方向上的两个面包含有曲面2-3，可以将两个面完全设为曲面2-3，曲面2-3在长度方向的厚度分布规律符合指数函数的倒数关系，在石英晶片2的厚度方向上的两个面上还分别设有一个电极3，电极3的外形设置为蝙蝠状，并且其边缘呈波纹状，波纹的周期相同，所述两个面上的两个电极3相对设置，通常当晶体的X向长度缩短时，必须使晶片的两边缘切成斜角或滚成曲面，以便使振动能量集中在晶片中心区。加工的曲率和斜角等也影响谐振器的阻抗，它存在一个最佳曲率值。为了增强能阱效果，增大“能阱因子”，可以利用晶体冷加工技术，例如滚筒技术，对晶片轮廓进行“加权”。设矩形状厚度切变谐振式温度传感器距中央部分的距离为H(F)，则谐振传感器的晶片曲面应满足下式要求H(F)=(0.0133F+0.232)(3-e1F+1),]]>式中，H(F)为在y’方向上的厚度，F为沿X方向距中央区的距离，即传感器晶片中央区域的两侧厚度(沿X向)应符合指数函数的倒数关系减小。石英晶片2的单转角切型为θ0＝45°～55°，双转角切型为θ0＝45°、φ＝15°，θ0和φ1的定义符合国际惯例，例如IEEE标准176-1949的要求。所述蝙蝠状电极3的最窄处宽度h1是最宽处宽度h2的一半，在石英晶片2在厚度方向上的两个面上还分别设有一个公共电极4，所述公共电极4呈反L型，公共电极4的一端与同在该面上的电极3连接，公共电极4的另一端与电引线5连接，石英晶片2设置在管壳1内，管壳1由金属制造，其外形为圆柱状，管壳1与管座6固定密封连接。所述电引线5贯穿于管座6并通过玻璃粉绝缘子7与管座6绝缘，管壳1内充满稀有气体，电引线5与公共电极4通过高温焊锡点8电气连接。
具体实施方式
二本实施方式与具体实施方式
一不同的是，管壳1为密封结构，管壳1内充满稀有气体。稀有气体可以是氦气或氮气，充氦气或氮气的压力应大于700Pa，最好为7Kpa，石英晶片2的单转角切型为θ0＝-26°～-34.5°，双转角切型为θ0＝45°、φ＝15°，石英晶片2切割角的误差方向与石英晶片2的固定安装方向匹配，即晶片切割角度为正误差，则应沿+X轴向固定安装，若切割角度为负误差，则应沿-X轴向固定安装。
具体实施方式
三本实施方式与具体实施方式
一、二不同的是，石英晶片2在厚度方向上的两个面中央区为平面2-4，其余部分为曲面2-3，曲面2-3在长度方向的厚度分布规律符合指数函数的倒数关系。
权利要求
1.一种具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器，它包括管壳(1)、石英晶片(2)，其特征在于所述石英晶片(2)在长度方向上的两个端面(2-1)为平面，在宽度方向上的两个端面(2-2)为平面，长度边长与宽度边长的比值为1.5～20，其在厚度方向上的两个面包含有曲面(2-3)，曲面(2-3)在长度方向的厚度分布规律符合指数函数的倒数关系，在石英晶片(2)的厚度方向上的两个面上还分别设有一个电极(3)，电极(3)的外形设置为蝙蝠状，并且其边缘呈波纹状，波纹的周期相同，所述两个面上的两个电极(3)相对设置。
2.根据权利要求1所述的具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器，其特征在于石英晶片(2)在厚度方向上的两个面为曲面(2-3)。
3.根据权利要求1所述的具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器，其特征在于石英晶片(2)在厚度方向上的两个面中央区为平面(2-4)，其余部分为曲面(2-3)。
4.根据权利要求1、2或3所述的具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器，其特征在于石英晶片(2)的单转角切型为θ0＝45°～55°，双转角切型为θ0＝45°、φ0＝15°。
5.根据权利要求1、2或3所述的具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器，其特征在于石英晶片(2)的单转角切型为θ0＝-26°～-34.5°，双转角切型为θ0＝45°、φ＝15°。
6.根据权利要求1所述的具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器，其特征在于所述蝙蝠状电极(3)的最窄处宽度h1是最宽处宽度h2的一半。
7.根据权利要求1、2、3或6所述的具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器，其特征在于在石英晶片(2)在厚度方向上的两个面上还分别设有一个公共电极(4)，所述公共电极(4)呈反L型，公共电极(4)的一端与同在该曲面的电极(3)连接，公共电极(4)的另一端与电引线(5)连接。
8.根据权利要求1、2、3或6所述的具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器，其特征在于石英晶片(2)设置在管壳(1)内，管壳(1)由金属制造，其外形为圆柱状，管壳(1)与管座(6)固定密封连接，所述电引线(5)贯穿于管座(6)并通过玻璃粉绝缘子(7)与管座(6)绝缘，在所述管壳(1)内充满稀有气体。
9.根据权利要求1、2、3或6所述的具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器，其特征在于石英晶片(2)设置在管壳(1)内，管壳(1)为密封结构，在管壳(1)内充满稀有气体。
10.根据权利要求1、2、3或6所述的具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器，其特征在于石英晶片(2)切割角的误差方向与石英晶片(2)的固定安装方向匹配，即晶片切割角度为正误差，则应沿+X轴向固定安装，若切割角度为负误差，则应沿-X轴向固定安装。
全文摘要
具有线性特性的超小型谐振式石英体波温度传感器，它涉及一种谐振式精密高稳定柱状石英晶体传感器。本发明包括管壳(1)、石英晶片(2)，石英晶片(2)在长度方向上的两个面(2－1)为平面，在宽度方向上的两个面(2－2)为平面，长度边长与宽度边长的比值为1.5～20，其在厚度方向上的两个面包含有曲面(2－3)，曲面(2－3)在长度方向的厚度分布规律符合指数函数的倒数关系，在石英晶片(2)的厚度方向上的两个面上还分别设有一个电极(3)，电极(3)的外形设置为蝙蝠状，并且其边缘呈波纹状，波纹的周期相同，所述两个面上的两个电极(3)相对设置。本发明作为温度传感器具有测温范围宽、响应速度快、线性度好、一致性佳的优点。
文档编号G01K7/32GK1414354SQ02132999
公开日2003年4月30日 申请日期2002年9月19日 优先权日2002年9月19日
发明者林江, 叶东升, 陈松, 毛松滨 申请人:林江, 叶东升, 陈松, 毛松滨, 哈尔滨市大地测量仪器工程技术研究开发中心
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