石英双梁I工作在面内弯曲振动模态，其谐振频率对双梁的轴向拉、压应力(拉应力和压应力)敏感，而对温度不敏感。其中，在轴向拉应力的作用下，其振动频率增加；反之，在轴向压应力的作用下，其振动频率降低。扭转叉指4工作在扭转模态，扭转频率是温度的函数，对温度敏感，而对轴向拉压力不敏感。
[0028]在石英双梁I上连接实现石英双梁I的面内弯曲振动的电子振荡回路；扭转叉指4上连接实现扭转叉指4扭转振动的电子振荡回路。石英双梁I和扭转叉指4均采用金属薄膜电极分别激励面内弯曲振动和扭转振动。如图4所示，温度敏感部分的扭转叉指上分布有掩膜板刻蚀出的金属薄膜电极。金属薄膜电极呈带状，与石英结晶轴X向平行分布。温度敏感部分的音叉结合底座6上有第二金属焊盘7、第三金属焊盘8，石英振梁力频谐振器部分的振梁结合底座2上也有第一金属焊盘9。第一金属焊盘9和第二金属焊盘7连接同一种极性的电极并用金属合金材料键合起来，第三金属焊盘8连接另一种极性的电极。温度敏感部分的扭转叉指4上分布的电极是成对存在的，极性相反。在压电效应的作用下，会有沿晶轴Y向和沿晶轴Z向的电场分量，横截面上会有剪切分量ο xdP σ xz，温度敏感部分的扭转叉指4的两个叉指反向扭转。通过合理布置激励电极图案，可使扭转叉指4的两个叉指绕着结晶轴X方向反向扭转，其长度方向垂直于石英双梁I的长度方向。
[0029]如图1所示，石英双梁力频谐振器部分和温度敏感部分利用同一片石英晶片制作，利用微加工工艺一次、批量完成。制作完成的集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器的石英双梁力频谐振器部分对轴向拉压力很敏感，而温度灵敏度很低。温度敏感部分有很高的温度灵敏度，而对轴向拉压力不敏感，温度敏感部分的扭转模态频率通过设计扭转叉指的尺寸以及在扭转叉指端部附加质量块进行调整。温度敏感部分的谐振频率与石英双梁力频谐振器部分的谐振频率、模态均不相同，两者可以共存且互不干扰。
[0030]如图1所示，作为力频敏感元件，石英双梁力频谐振器部分可以用作力或应力传感器，在配合了质量-挠性结构后又可以用于转换惯性力的加速度传感器，此时，质量-挠性-底座的材质可以为石英、硅或金属的任意一种。
[0031]如图2所示，石英双梁I发生面内弯曲变形，而温度敏感部分没有发生扭转变形，石英振梁力频谐振器部分工作在面内弯曲振动模态。
[0032]如图3所示，扭转叉指4发生扭转变形，而石英双梁力频谐振器部分没有发生面内弯曲变形，连接固定部分、音叉结合底座也没有变形。扭转叉指4的两个叉指都绕石英结晶轴X向扭转，但是两叉指的扭转是反相位的。温度敏感部分的谐振频率以及频率变化能很好的反映石英双梁的温度及温度变化情况。
[0033]如图2和图3所示，两个振动模态可以共存且相互独立，每个模态都以其各自的谐振频率振动，几乎不会发生机械耦合，扭转频率和面内弯曲振动的模态、频率均不同且完全互不干扰。
[0034]综上所述，本发明的集成了温度敏感谐振器的石英双梁力频谐振器包括基于弯曲振动模态的双端固定音叉(石英双梁力频谐振器部分)和基于扭转振动模态的单端固定音叉(温度敏感部分)。双端固定音叉工作于面内弯曲振动模态，在音叉长度方向的轴向拉力作用下谐振频率增加，在轴向压力作用下频率降低。作为力频敏感元件，双端固定音叉可以用作力或应力传感器，在配合了质量-挠性结构后又可以用于转换惯性力的加速度传感器。基于扭转振动模态的单端固定音叉叉指长度方向与双端固定音叉叉指长度方向垂直，两个叉指分别位于结合部的两端。两种音叉的结合部固连于一体，而两个谐振器均为独立谐振。基于扭转模态的单端固定音叉谐振频率具有对温度变化敏感的特征，因此可以作为温度传感元件实时监控石英器件本体的温度，从而完成由于温度变化带来的石英双梁力频谐振器谐振频率漂移的实时补偿。本发明的优点在于用于温度测量的石英音叉与石英双梁力频谐振器为一体式结构，因此能够实时、准确地反映力频谐振器的真实温度及温度变化情况，并且温度敏感部分输出数字信号，便于信号的处理，同时具有小型化的优势。
【主权项】
1.一种集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器，其特征在于，包括石英双梁力频谐振器部分和温度敏感部分，两者呈一体式结构，其中， 所述石英双梁力频谐振器部分由石英双梁(I)和分别设置于石英双梁(I)两端的双梁结合底座(2)组成，所述石英双梁力频谐振器部分工作在面内弯曲振动模态，其谐振频率对双梁的轴向拉、压应力敏感，而对温度不敏感； 所述温度敏感部分由依次相互连接的第一连接固定部分(3)、扭转叉指(4)、第二连接固定部分(5)和音叉结合底座(6)组成，所述第一连接固定部分(3)与所述双梁结合底座(2)的一端固定连接，其中，所述温度敏感部分工作在扭转模态，其扭转频率是温度的函数，所述温度敏感部分对温度敏感，而对轴向拉、压应力不敏感； 所述温度敏感部分与石英双梁力频谐振器部分的谐振模态和谐振频率不同，两者可以共存且互不干扰。
2.根据权利要求1所述的集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器，其特征在于，所述扭转叉指(4)包括两个结构对称的叉指，两个叉指方向均垂直于所述石英双梁(I)且工作时两个叉指扭转方向相反。
3.根据权利要求1所述的集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器，其特征在于，所述石英双梁力频谐振器部分和所述温度敏感部分的厚度相同。
4.根据权利要求1所述的集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器，其特征在于，所述石英双梁(I)采用中间宽度被削薄的变截面双梁结构。
5.根据权利要求1所述集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器，其特征在于，所述石英双梁(I)采用不变截面双梁。
6.根据权利要求1所述的集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器，其特征在于，所述石英双梁(I)上连接实现石英双梁(I)的面内弯曲振动的电子振荡回路；所述扭转叉指(4)上连接实现扭转叉指(4)扭转振动的电子振荡回路；所述石英双梁(I)和所述扭转叉指(4)分别采用金属薄膜电极激励面内弯曲振动和扭转振动。
7.根据权利要求1所述的集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器，其特征在于，所述温度敏感部分的扭转模态频率通过设计所述扭转叉指(4)的尺寸以及在所述扭转叉指(4)端部附加质量块进行调整。
8.根据权利要求1?7任一项所述的集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器，其特征在于，所述石英双梁力频谐振器部分和所述温度敏感部分的制作材料均为石英材料。
9.根据权利要求1?7中任一项所述的集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器，其特征在于，所述温度敏感部分包括两个，分别位于所述双梁结合底座(2)的左右两侧。
10.一种加速度传感器，其特征在于，包括权利要求1所述的集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器和质量-挠性-底座，其中，所述质量-挠性-底座的材质为石英、硅或金属的任意一种。
【专利摘要】本发明公开了一种集成温度敏感单元的石英双梁力频谐振器，包括呈一体式结构的石英双梁力频谐振器部分和温度敏感部分，两者谐振模态和谐振频率不同，可以共存且互不干扰。其中，石英双梁力频谐振器部分由石英双梁和两端的结合底座组成，工作在面内弯曲振动模态，谐振频率对双梁的轴向拉、压应力敏感，而对温度不敏感；温度敏感部分由扭转叉指、连接固定部分和音叉结合底座组成，其工作在扭转模态，扭转频率是温度的函数，对温度敏感，而对轴向拉压力不敏感。本发明能够实时、准确地反映力频谐振器的真实温度及温度变化情况，从而完成对石英双梁力频谐振器温度漂移的补偿，并且温度敏感部分输出数字信号，便于信号的处理，同时具有小型化的优势。
【IPC分类】G01P15-097, G01L1-10
【公开号】CN104820113
【申请号】CN201510219367
【发明人】梁金星, 白凤蕊
【申请人】东南大学
【公开日】2015年8月5日
【申请日】2015年4月30日