一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器

摘要

一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器，包括一体式金属压力差动转换元件，一体式金属压力差动转换元件上连接有两个石英双端固支音叉，一体式金属压力差动转换元件上侧及两个石英双端固支音叉外侧连接有上盖帽，形成真空密封；一体式金属压力差动转换元件下侧连接有下盖板，下盖板密封PCB安装腔室，完成普通气密；两个石英双端固执音叉垂直交叉平行地安装于柔性框架的左右两侧，柔性框架一端与待测压力通道一体固接，另一端与固定外框架一体固接；本发明通过测量个石英双端固执音叉的频率变化，可获得待测压力信息，不仅可以提高敏感度，还可以抑制温漂等共轭干扰，具有数字信号输出，精度高，抗干扰能力强等特点。

权利要求

1.一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器，其特征在于：包括一体式金属压力差动转换元件(1)，一体式金属压力差动转换元件(1)上连接有两个石英双端固支音叉(4)，一体式金属压力差动转换元件(1)上侧及两个石英双端固支音叉(4)外侧连接有上盖帽(2)，形成真空密封；一体式金属压力差动转换元件(1)下侧连接有下盖板(3)，下盖板(3)密封PCB安装腔室(1d)，完成普通气密；

所述的一体式金属压力差动转换元件(1)为一体化制造，包括固定外框架(1b)，固定外框架(1b)上部内侧连接有柔性框架(1a)，柔性框架(1a)和两个石英双端固支音叉(4)连接，固定外框架(1b)下部设有待测压力通道(1c)和PCB安装腔室(1d)，待测压力通道(1c)位于中心；通过玻璃烧结金柱(1e)完成PCB安装腔室(1d)和柔性框架(1a)上安装的两个石英双端固支音叉(4)之间的电气连接；

两个石英双端固支音叉(4)垂直交叉平行地安装于柔性框架(1a)的左右两侧，柔性框架(1a)一端与待测压力通道(1c)一体固接，另一端与固定外框架(1b)一体固接；

两个石英双端固支音叉(4)垂直交叉平行地安装于柔性框架(1a)的左右两侧，且柔性框架(1a)两面都有对石英双端固支音叉水平或竖直安装的对准安装槽。

2.根据权利要求1所述的一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器，其特征在于：所述的石英双端固支音叉(4)中部的两个叉臂(4e)表面四周设置有电极，电极之间相互电连接，用以石英双端固支音叉起振，在逆压电效应作用下，通交变电压，石英音叉梁处于预设振动模态；在石英双端固支音叉(4)一端上面(4a)有检测电极，第一下面(4c)为安装面；在石英双端固支音叉(4)另一端上面(4b)有与外部电路连接的焊盘，第二下面(4d)是安装面；通电之后能够按照预定模态振动。

3.根据权利要求1所述的一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器，其特征在于：所述的下盖板(3)且留有第一外接孔(3a)和第二外接孔(3b)，分别引出电源正负极线和两个石英双端固支音叉(4)的信号输出线。

说明书

一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器

技术领域

[0001] 本发明属于微机械电子(MEMS)数字式压力传感器技术领域，具体涉及一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器。

背景技术

[0002] 在谐振式压力传感器领域，传感器结构分为压力转换单元和谐振单元；其中压力转换单元一般采用压力敏感薄膜、波纹管等，为了形成差动输出结构来抑制传感器所受的
共轭干扰，又常引入悬臂梁、柔性杠杆等机械信号传递结构，额外的结构需要额外的连接设
计，对准精度和连接强度会影响传感器的整体精度和可靠性，而且若是不同材料的压力转
换结构又会造成热不匹配，进一步干扰压力传感器的性能。

发明内容

[0003] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器，具有数字信号输出，精度高，抗干扰能力强等特点。

[0004] 为了实现上述目标，本发明采用的技术方案为：

[0005] 一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器，包括一体式金属压力差动转换元件1，一体式金属压力差动转换元件1上连接有两个石英双端固支音叉4，一体式金属压力
差动转换元件1上侧及两个石英双端固支音叉4外侧连接有上盖帽2，形成真空密封；一体式
金属压力差动转换元件1下侧连接有下盖板3，下盖板3密封PCB安装腔室1d，完成普通气密；

[0006] 所述的一体式金属压力差动转换元件1为一体化制造，包括固定外框架1b，固定外框架1b上部内侧连接有柔性框架1a，柔性框架1a和两个石英双端固支音叉4连接，固定外框
架1b下部设有待测压力通道1c和PCB安装腔室1d，待测压力通道1c位于中心；通过玻璃烧结
金柱1e完成PCB安装腔室1d和柔性框架1a上安装的两个石英谐振器4之间的电气连接；

[0007] 两个石英双端固执音叉4垂直交叉平行地安装于柔性框架1a的左右两侧，柔性框架1a一端与待测压力通道1c一体固接，另一端与固定外框架1b一体固接。

[0008] 两个石英双端固支音叉4垂直交叉平行地安装于柔性框架1a的左右两侧，即一个石英双端固支音叉4水平或竖直的安装在柔性框架的1a‑1面，另一个石英双端固支音叉4垂
直交叉的安装在柔性框架的1a‑2面，1a‑1面和1a‑2面垂直，且柔性框架1a两面都有对石英
谐振音叉水平或竖直安装的对准安装槽。

[0009] 所述的石英双端固支音叉4中部的两个叉臂4e表面四周设置有电极，电极之间相互电连接，用以石英音叉起振，在逆压电效应作用下，通交变电压，石英音叉梁处于预设振
动模态；在石英双端固支音叉4一端上面4a有检测电极，下面4c为安装面；在石英双端固支
音叉4另一端上面4b有与外部电路连接的焊盘，下面4d是安装面；通电之后能够按照预定模
态振动。

[0010] 所述的下盖板3且留有第一外接孔3a和第二外接孔3b，分别引出电源正负极线和两个石英双端固支音叉4的信号输出线。

[0011] 本发明的有益效果为：

[0012] 本发明通过测量个石英双端固执音叉4的频率变化，可获得待测压力信息，不仅可以提高敏感度，还可以抑制温漂等共轭干扰；一体化制造的一体式金属压力差动转换元件，
避免了额外结构的连接、对准和不同材料热不匹配引起的不利干扰；测量过程无需数模转
换，输出为准数字的压力信号。

附图说明

[0013] 图1为本发明的总体结构示意图。

[0014] 图2为本发明的总体结构剖面示意图,图(a)为侧视图，图(b)为图(a)的A‑A剖面图。

[0015] 图3为本发明一体式金属压力差动转换元件的结构示意图，其中图(a)为正面结构示意图，图(b)为侧面斜角度的透视图。

[0016] 图4为本发明石英双端固支音叉谐振器的结构示意图。

[0017] 图5为本发明的工作原理图。

具体实施方式

[0018] 以下结合附图对本发明进行详细说明。

[0019] 参照图1、图2和图3，一种金属基柔性框架石英差动谐振式压力传感器，包括一体式金属压力差动转换元件1，一体式金属压力差动转换元件1上连接有两个石英双端固支音
叉4，一体式金属压力差动转换元件1上侧及两个石英双端固支音叉4外侧连接有上盖帽2，
形成真空密封，保证谐振腔室的真空封装效果；一体式金属压力差动转换元件1下侧连接有
下盖板3，下盖板3密封PCB安装腔室1d，完成普通气密封装；

[0020] 所述的一体式金属压力差动转换元件1为一体化制造，包括固定外框架1b，固定外框架1b上部内侧连接有柔性框架1a，柔性框架1a和两个石英双端固支音叉4连接，固定外框
架1b下部设有待测压力通道1c和PCB安装腔室1d，待测压力通道1c位于中心；通过玻璃烧结
金柱1e完成PCB安装腔室1d和柔性框架1a上安装的两个石英谐振器4之间的电气连接；

[0021] 两个石英双端固执音叉4垂直交叉平行地安装于柔性框架1a的左右两侧，柔性框架1a一端与待测压力通道1c一体固接，另一端与固定外框架1b一体固接。

[0022] 参照图3，两个石英双端固支音叉4垂直交叉平行地安装于柔性框架1a的左右两侧，即一个石英双端固支音叉4水平或竖直的安装在柔性框架的1a‑1面，另一个石英双端固
支音叉4垂直交叉的安装在柔性框架的1a‑2面，1a‑1面和1a‑2面垂直，且柔性框架1a两面都
有对石英谐振音叉水平或竖直安装的对准安装槽。

[0023] 参照图4，所述的石英双端固支音叉4中部的两个叉臂4e表面四周设置有电极，电极之间相互电连接，用以石英音叉起振，在逆压电效应作用下，通交变电压，石英音叉梁处
于预设振动模态；在石英双端固支音叉4一端上面4a有检测电极，下面4c为安装面；在石英
双端固支音叉4另一端上面4b有与外部电路连接的焊盘，下面4d是安装面；通电之后能够按
照预定模态振动。

[0024] 参照图1，所述的下盖板3且留有第一外接孔3a和第二外接孔3b，分别引出电源正负极线和两个石英双端固支音叉4的信号输出线。

[0025] 本发明的工作原理是：

[0026] 参照图5，测量压力时，待测压力作用于待测压力通道1c的金属膜上，使得柔性框架1a沿竖直对角线方向发生位移。此时，分别安装在柔性框架1水平对角线方向和竖直对角
线方向的两个石英双端固执音叉4，在水平对角线方向受拉，在竖直对角线方向受压，且受
力大小相等，形成差动输出，进而使得石英音叉梁谐振频率发生变化，通过测量频率变化，
可获得待测压力信息，不仅可以提高敏感度，还可以抑制温漂等共轭干扰；

[0027] 两个石英双端固支音叉4的逆压电效应被施加的交变电压激励后，按照其预定的固有模态振型振动，在待测压力通道1c的金属膜受到待测压力的影响后，其与柔性框架1a
一体固接的一端沿竖直对角线方向发生位移，柔性框架1a的另一端有固定外框架1b一体固
接，则在柔性框架1a平行垂直交叉安装的两个石英双端固支音叉4受力发生变形，其中在水
平对角方向的石英双端固支音叉4受拉力，在竖直对角方向的石英双端固支音叉4受压力，
两者受力大小相同，其振动频率发生变化，两者的频率差与压力成比例关系，通过测量频率
差，进而获得所测压力的大小。