一种低阻尼的石英谐振式压力传感器

本发明涉及压力传感器领域，具体涉及一种低阻尼的石英谐振式压力传感器。

背景技术：

1、传感器技术在当今信息化时代作为一种有效且必需的信息采集手段，在社会生产中发挥着举足轻重的作用。其中，压力是众多信息中最基本、最常见和最重要的信息之一。石英压力传感器由于具有本质无源、抗恶劣环境能力强、抗电磁干扰、高灵敏度等优点在众多压力传感器中异军突起，且广泛应用于民用工程结构安全监测、航天器及船舶、油气勘探等关键领域。虽然石英压力传感技术相对成熟，但在传感性能及抗外界环境干扰能力方面有待进一步提高。

2、石英谐振式压力传感器的敏感元件是一个具有频率高稳定的石英谐振器，其基本部分是at切型的圆形石英晶体薄片做成的石英机械振子，at切型的石英晶体的切角为35°，石英振子的表面镀有金电极，当交变电场通过电极作用于石英振子时，由于石英晶体的压电效应，石英振子内将被激励起机械振动，同时在石英振子表面生成交变电荷，这些电荷通过电路形成交变电流。当外电场的激励频率与石英振子的一阶固有频率相等时，石英振子将发生机械共振，电路中的交变电流也将达到最大，产生电谐振，谐振频率等于石英振子的固有频率。从机械振动的角度分析，石英振子系统可以简化为一维振动系统。系统一阶固有频率为：式中：m为石英振子的参振质量，包括石英振子表面附着物质；k为石英振子的刚度，取决于石英晶体的切型、电极尺寸、内部状态；c为石英振子的内部阻尼和外部阻尼。

3、当石英振子受到应力作用时，振子内部刚性产生变化，引起固有频率的变化。频率改变量随外力而变化，因此，通过测量石英振子谐振频率的改变量就能测出石英振子所受外部压力的大小。

4、石英振子的频率稳定性受外部阻尼因素影响较大。传统的石英压力传感器设计为全石英结构，如图1所示，由盖帽、谐振片和盖帽组成。端帽与谐振片通过玻璃材料键合在一起，在键合过程中充入氦气，一方面是由于氦气属于惰性气体，可以避免玻璃键合介质在高温环境下与空气中的氧气等物质发生化学反应，影响键合效果；另一方面，充入氦气还有利于减小石英振子在谐振状态下的热损耗。

5、而在该种结构下，石英谐振片处于上下等容的气氛中，当传感器工作时，石英谐振片振荡，使得谐振片两侧的压力不等。由于气体阻尼的存在，使得压力传感器的机械品质因数降低，影响了传感器的频率稳定性。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供了一种低阻尼的石英谐振式压力传感器，通过对石英谐振片中心多孔网筛，使谐振片上下贯通，进而达到减小石英振子在谐振状态下的阻尼损耗、提高传感器的频率稳定性及抗干扰能力的目的。

2、为实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

3、一种低阻尼的石英谐振式压力传感器，由盖帽、石英谐振片和盖帽组成，所述石英谐振片采用多孔网筛结构。

4、进一步地，采用飞秒激光加工技术在谐振片上加工多孔网筛结构。

5、进一步地，所述石英谐振片的中心厚度是0.7mm，侧边厚度是0.5mm。

6、进一步地，所述的石英谐振片的中心处溅射有直径为6.4mm的金电极。

7、本发明利用飞秒激光加工技术，在谐振片中心进行多孔网筛，一方面，多孔网筛在几何尺度上保证了谐振片的对称性，使得能陷区被限制在谐振片的中心，即振动能量主要集中在电极区，从而使得传感器将具有较高的灵敏度及分辨率。另一方面，通过谐振片中心多孔网筛，有力地减小了石英谐振片在非真空环境下振动的空气阻尼，从而减小了器件与空气作用而导致的能量耗散，这对于提高传感器的长期稳定性以及抗干扰能力都具有十分重要的作用。

技术特征：

1.一种低阻尼的石英谐振式压力传感器，由盖帽、石英谐振片和盖帽组成，其特征在于：所述石英谐振片采用多孔网筛结构。

2.如权利要求1所述的一种低阻尼的石英谐振式压力传感器，其特征在于：采用飞秒激光加工技术在石英谐振片上加工多孔网筛结构。

3.如权利要求1所述的一种低阻尼的石英谐振式压力传感器，其特征在于：所述石英谐振片的中心厚度是0.7mm，侧边厚度是0.5mm。

4.如权利要求1所述的一种低阻尼的石英谐振式压力传感器，其特征在于：所述的石英谐振片的中心处溅射有直径为6.4mm的金电极。

技术总结
本发明涉及压力传感器领域，具体涉及一种低阻尼的石英谐振式压力传感器，由盖帽、谐振片和盖帽组成，所述谐振片采用多孔网筛结构。本发明利用飞秒激光加工技术，在谐振片中心进行多孔网筛，一方面，多孔网筛在几何尺度上保证了谐振片的对称性，使得能陷区被限制在谐振片的中心，即振动能量主要集中在电极区，从而使得传感器将具有较高的灵敏度及分辨率。另一方面，通过谐振片中心多孔网筛，有力地减小了石英谐振片在非真空环境下振动的空气阻尼，从而减小了器件与空气作用而导致的能量耗散，这对于提高传感器的长期稳定性以及抗干扰能力都具有十分重要的作用。

技术研发人员：张增星,张文君,薛晨阳,高立波,郑建毅,景俊民,姚斌,徐彦波
受保护的技术使用者：厦门大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/5