基于频率计算的硅谐振传感器及其计算方法与流程

本发明涉及谐振传感器，具体为基于频率计算的硅谐振传感器及其计算方法。

背景技术：

1、高性能单晶硅谐振压力传感器，也能测量差压,精度0.1％,其量程可根据具体应用需求通过调整制作工艺该传感器是压力传感器中的一种高端产品，非常适用于一些特殊环境如航空、航天、气象、地质、航海、油井和工业自动化等领域中的压力测量。

2、公开号为cn205333677u的中国专利公开了四梁结构石英谐振传感器，包括玻璃衬底、位于玻璃衬底上表面的硅基支撑，硅基支撑开有一个矩形孔洞，在该矩形孔洞中央设置有压块，压块通过四个悬臂梁分别与矩形孔洞的四个面连接使得压块悬空设置，压块下方设置有金属电极，压块的上端面的面积小于下端面面积，压块的下端面面向金属电极，压块的上端面设置有第二硅凸台，压块的上端面平行于硅基支撑的上端面，硅基支撑的上端面设置有第一硅凸台，第一硅凸台和第二硅凸台上均设置有石英块，两个石英块之间设置有根平行的谐振梁。

3、上述专利的在实际使用过程中由于谐振传感器是通过谐振的频率来侧向相应的物理量，而谐振的频率跟晶体的大小、材质和温度有着一定的关系，该谐振传感器在使用时不能根据谐振传感器的具体情况进行频率的计算，以保证测量结果的准确性；因此，不满足现有的需求，对此我们提出了基于频率计算的硅谐振传感器及其计算方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于频率计算的硅谐振传感器及其计算方法，通过设置的疏水层使得硅谐振传感器主体具有一定的防水性，避免硅谐振传感器主体收到周围的湿度影响，造成灵敏度不稳定的情况，使得硅谐振传感器主体的输出信号不会因为空气中的湿气出险漂移现象，提高了硅谐振传感器主体的使用寿命，保证了硅谐振传感器主体使用的灵敏度，通过温度感应器感应周边的环境温度，将温度作为影响频率振动的因素带入进行频率的计算，使得硅谐振传感器主体不会出现因为环境温度的改变影响频率计算的结果，保证了谐振频率计算结果的准确性，进而保证了测量结果的精确性，解决了上述背景技术中提出的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于频率计算的硅谐振传感器，包括外壳、处理器和显示装置，所述外壳上安装有显示装置，显示装置与处理器连接，处理器内设有频率计算系统。

3、还包括硅谐振传感器主体，其设置于显示装置的一侧并通过导线与处理器连接，硅谐振传感器主体上设有温度感应器，硅谐振传感器主体包括第一电极、谐振器、第二电极、疏水层、衬底层、硅晶体层、顶层金属和底层金属，衬底层的上表面设有底层金属，底层金属上表面的两端设有第一电极和第二电极，第一电极和第二电极之间设有谐振器，第一电极和第二电极的上表面设有硅晶体层，硅晶体层的上表面设有疏水层，疏水层的上表面设有顶层金属。

4、优选的，所述谐振器、第一电极和第二电极均由掺硼的低阻p型半导体材料制成，第一电极和第二电极与底层金属连接处设有第一绝缘层，第一电极和第二电极与硅晶体层连接处设有第二绝缘层，衬底层由陶瓷介电材料制成，第一绝缘层和第二绝缘层均由氧化硅和氮化硅组成的双层绝缘材料，第一电极和第二电极为矩形电极，且第一电极和第二电极在纵向上设置在谐振器的两侧，并与谐振器保持间隙形成真空腔。

5、优选的，所述硅晶体层包括第一硅晶体层、第二硅晶体层和第三硅晶体层，第一硅晶体层的上表面设有第二硅晶体层，第二硅晶体层的上表面设有第三硅晶体层，第一硅晶体层和第三硅晶体层的厚度均为6μm，第二硅晶体层的厚度为3μm，第一硅晶体层和第二硅晶体层之间存在间隙。

6、优选的，所述频率计算系统具体包括；

7、数据接收模块，用于接收外界温度参数以及第一硅晶体层、第二硅晶体层和第三硅晶体层厚度和长度。

8、数据转换模块，用于将数据接收模块所接收的所有数据转换成可供计算的数据。

9、谐振频率计算模块，用于根据数据转换模块所转换的数值来计算硅谐振传感器主体的谐振频率。

10、数据显示模块，用于对计算出的谐振频率结果进行显示。

11、优选的，所述数据转换模块，具体包括：

12、数据处理模块，用于将接收的温度参数以及第一硅晶体层、第二硅晶体层和第三硅晶体层厚度和长度数据进行分类。

13、数据拆分模块，用于将分类后的温度参数以及第一硅晶体层、第二硅晶体层和第三硅晶体层厚度和长度数据进行拆分，并将其中的几何数据转换为数据格式。

14、优选的，所述计算模块的具体计算过程包括：

15、根据数据接收模块所接收的各项数值参数获取硅谐振传感器主体的固有谐振频率计算公式。

16、将所接收的各项数值带入固有谐振频率计算公式，计算出硅谐振传感器主体当前的谐振频率，接收模块所接收的各项数值参数包括温度参数、第一硅晶体层、第二硅晶体层和第三硅晶体层厚度和长度。

17、优选的，所述固有谐振频率计算公式为：

18、

19、其中，f表示固有的硅谐振频率，k表示硅晶体层的弹性系数，m表示硅晶体层的质量，δp表示硅晶体层的压力差，ρ表示硅晶体层的密度。

20、硅谐振传感器主体1当前的谐振频率计算公式为：

21、

22、其中，ε为硅晶体层的固有应力，εr为硅晶体层受温度影响产生的应力，l为硅晶体层的长度。

23、εr的计算公式为：

24、

25、其中α2为硅晶体层的热膨胀系数，k为硅晶体层的弹性系数，t为硅晶体层的厚度。

26、t＝t1+t2+t3

27、其中，t1为第一硅晶体层的厚度，t2为的第二硅晶体层的厚度，t3为第三硅晶体层的厚度。

28、本发明提供另一种方案：基于频率计算的硅谐振传感器的计算方法，包括以下步骤：

29、步骤一：数据接收模块接收外界温度参数以及硅谐振传感器主体中第一硅晶体层、第二硅晶体层和第三硅晶体层厚度和长度，并将接收的数据传输至数据转换模块。

30、步骤二：数据转换模块将数据接收模块所接收的温度参数以及第一硅晶体层、第二硅晶体层和第三硅晶体层厚度和长度数据进行分类，然后将分类后的温度参数以及第一硅晶体层、第二硅晶体层和第三硅晶体层厚度和长度数据进行拆分，并将其中的几何数据转换为数据格式。

31、步骤三：转换完成后将数据传输至谐振频率计算模块，谐振频率计算模块根据块所转换的数据计算硅谐振传感器主体的谐振频率，并将计算出的谐振频率结果显示在显示装置上。

32、优选的，转换完成后将数据传输至谐振频率计算模块，包括：

33、在转换完成后，提取转换完成后的数据格式；

34、提取所述数据格式对应的具体格式形式，将所述数据格式对应的具体格式形式与谐振频率计算模块可接受的数据格式进行比较；

35、当所述数据格式对应的具体格式形式与谐振频率计算模块可接受的数据格式一致时，则直接将数据发送至谐振频率计算模块；

36、当所述数据格式对应的具体格式形式与谐振频率计算模块可接受的数据格式不一致时，则将数据随机转化为任一一种谐振频率计算模块可接受的数据格式，并在格式转化后发送至谐振频率计算模块；

37、在数据转化后，对以数据转化后的数据格式为基准，获得每种不同数据格式对应的数据转化参数；其中，所述数据转化参数通过如下公式获取：

38、

39、其中，s表示单次的数据转化为第i种谐振频率计算模块可接受的数据格式的对应的数据转化参数；cq和ch分别对应表示格式化转化之前的数据大小和转化后的数据大小；tg表示格式转化所用时间，tz表示从数据格式转化直至数据传输至谐振频率计算模块整体消耗时长；s0表示预设的参数基准数值；α表示比较因子，α的取值范围为0.48-0.53；

40、根据所述数据转化参数确定目标数据格式，在目标数据格式确定后，将后续数据格式对应的具体格式形式按照所述目标数据格式为对应的谐振频率计算模块可接受的数据格式进行转化。

41、优选的，根据所述数据转化参数确定目标数据格式，在目标数据格式确定后，将后续数据格式对应的具体格式形式按照所述目标数据格式为对应的谐振频率计算模块可接受的数据格式进行转化，包括：

42、在数据转化后，提取转化成为不同类型的谐振频率计算模块可接受的数据格式对应的每次数据转化对应的数据转化参数；

43、利用所述数据转化参数形成指示参数，其中，所述指示参数通过如下公式获取：

44、

45、其中，zi表示第i种谐振频率计算模块可接受的数据格式类型对应的指示参数；m表示数据格式转化为第i种谐振频率计算模块可接受的数据格式类型对应的转化次数；s i表示第i次转化为第i种谐振频率计算模块可接受的数据格式类型对应的数据转化参数；s0表示预设的参数基准数值；α表示比较因子，α的取值范围为0.48-0.53；

46、将所述指示参数与预设的参数阈值比较；

47、如果存在超过预设的参数阈值的指示参数时，则将超过预设的参数阈值的指示参数对应的谐振频率计算模块可接受的数据格式作为目标数据格式，其中，所述目标数据格式可以为一个或多个；

48、如果不存在超过预设的参数阈值的指示参数时，则仍然将数据随机转化为任一一种谐振频率计算模块可接受的数据格式；

49、当获取所述目标数据格式后，将后续数据格式的具体格式形式直接按照所述目标数据格式为对应的谐振频率计算模块可接受的数据格式进行数据格式转化。

50、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

51、1、本发明通过在硅晶体层的上表面设置疏水层，设置的疏水层使得硅谐振传感器主体具有一定的防水性，避免硅谐振传感器主体收到周围的湿度影响，造成灵敏度不稳定的情况，使得硅谐振传感器主体的输出信号不会因为空气中的湿气出险漂移现象，提高了硅谐振传感器主体的使用寿命，保证了硅谐振传感器主体使用的灵敏度，进而提高了频率计算的精准度。

52、2、本发明通过温度感应器感应周边的环境温度，将温度作为影响频率振动的因素带入进行频率的计算，使得硅谐振传感器主体不会出现因为环境温度的改变影响频率计算的结果，保证了谐振频率计算结果的准确性，进而保证了测量结果的精确性。