一種石英晶體諧振器、智能壓力傳感器及其傳感測(cè)量方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明適用于壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，提供了一種石英晶體諧振器、智能壓力傳感器及其傳感測(cè)量方法。該石英晶體諧振器包括壓電石英晶片、基座、感應(yīng)膜和外蓋，所述壓電石英晶片的兩面上分別鍍有金屬電極，所述壓電石英晶片固設(shè)于基座上；所述基座上有兩金屬引出端，所述兩金屬電極分別與兩金屬引出端相接觸；所述外蓋上開(kāi)設(shè)有一通孔，所述外蓋蓋置于基座上，且將所述壓電石英晶片封閉于基座內(nèi)；所述感應(yīng)膜密閉設(shè)置于所述通孔上。所述的石英晶體諧振器利用壓電石英晶片在厚度切變諧振模式下諧振頻率和該晶片表面所承受的壓力有關(guān)這一特殊特性，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境壓力的傳感和測(cè)量。該晶體諧振器具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易于批量生產(chǎn)以及制造成本低等特點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
一種石英晶體諧振器、智能壓力傳感器及其傳感測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種石英晶體諧振器、智能壓力傳感器及其傳感測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]大氣中各個(gè)高度的氣壓變化，以及高空環(huán)境的溫度、濕度或者大氣中其它特性的狀況對(duì)于地面上環(huán)境的影響越來(lái)越重要。目前，如何掌握高空環(huán)境中各種特性隨大氣壓力的變化而變化的狀況，對(duì)于各國(guó)來(lái)講都是一件迫切需要做的事情。
[0003]壓電石英晶體是由全球儲(chǔ)存量極多的二氧化硅(S12)組成。如此多的原料儲(chǔ)存量使得人造壓電石英晶體成為壓電行業(yè)的主要物料并且成本低。由于壓電石英晶體的壓電特殊特性，使其成為壓力傳感器在設(shè)計(jì)中使用的關(guān)鍵器件。但現(xiàn)有的采用壓電石英晶體制作的傳感器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜?；蛘攥F(xiàn)有的部分壓力傳感器依靠器件的微位移或微變形的原理獲取信號(hào)測(cè)量壓力，這類(lèi)壓力傳感器對(duì)器件的精細(xì)度要求較高，同時(shí)，制造成本也較高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造成本低的石英晶體諧振器。
[0005]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種石英晶體諧振器，包括壓電石英晶片、基座、感應(yīng)膜和外蓋，所述壓電石英晶片的兩面上分別鍍有金屬電極，所述壓電石英晶片固設(shè)于所述基座上；所述基座上有兩金屬引出端，所述兩金屬電極分別與兩金屬引出端相接觸；所述外蓋上開(kāi)設(shè)有一通孔，所述外蓋蓋置于所述基座上與基座形成一個(gè)用于容納所述壓電石英晶片的填充有氣體的封閉空間；所述感應(yīng)膜密閉設(shè)置于所述通孔上。
[0006]進(jìn)一步地，所述壓電石英晶片為AT切壓電石英晶片。
[0007]進(jìn)一步地，所述感應(yīng)膜為具有彈性的薄膜。
[0008]進(jìn)一步地，所述基座與所述外蓋所形成的密封空間內(nèi)填充有一個(gè)大氣壓的惰性氣體。
[0009]進(jìn)一步地，所述金屬電極為絡(luò)、鈦、招、銅、銅合金、鎳、鎳合金、銀、銀合金、金、金合金或任意以上金屬與其它金屬的合金。
[0010]本發(fā)明還提供一種智能壓力傳感器，包括如上任一所述的石英晶體諧振器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)顯示器，所述石英晶體諧振器的感應(yīng)膜置于需要檢測(cè)壓力的環(huán)境中，用于感應(yīng)環(huán)境壓力的變化，并輸出相應(yīng)的諧振頻率數(shù)據(jù)；
[0011]所述信號(hào)轉(zhuǎn)換器與所述石英晶體諧振器相連接，用于將接收到的諧振頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓力數(shù)據(jù)；
[0012]所述數(shù)據(jù)顯示器與所述信號(hào)轉(zhuǎn)換器相連接，用于將接收到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。
[0013]進(jìn)一步地，所述信號(hào)轉(zhuǎn)換器內(nèi)建立有頻率變化-壓力變化轉(zhuǎn)換表。
[0014]本發(fā)明還提供一種傳感測(cè)量方法，該傳感測(cè)量方法使用如上任意所述的智能壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，包括以下步驟:
[0015]步驟A、將壓力傳感器置于待測(cè)量的環(huán)境中，石英晶體諧振器感受環(huán)境壓力的變化，并將感受到的壓力大小通過(guò)諧振頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出；
[0016]步驟B、將所述諧振頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓力數(shù)據(jù)；
[0017]步驟C、接收所述壓力數(shù)據(jù)并將其進(jìn)行顯示。
[0018]進(jìn)一步地，所述步驟A包括以下步驟:
[0019]步驟AO1、所述石英晶體諧振器內(nèi)的感應(yīng)膜感受到壓力變化并通過(guò)其內(nèi)部密封的氣體作用于壓電石英晶片的表面上；
[0020]步驟A02、所述壓電石英晶片表面上的壓力發(fā)生變化，從而改變壓電石英晶片在厚度切變諧振模式下諧振時(shí)的諧振頻率；
[0021]進(jìn)一步地，所述步驟B包括以下步驟:
[0022]步驟B01、將接收到的諧振頻率數(shù)據(jù)與在一個(gè)大氣壓下壓電石英晶片的諧振頻率進(jìn)行比較，并計(jì)算出頻率差；
[0023]步驟B02、將所述頻率差與信號(hào)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的頻率變化-壓力變化轉(zhuǎn)換表進(jìn)行比較，并輸出壓力數(shù)據(jù)。
[0024]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果在于:石英晶體諧振器通過(guò)壓電石英晶片在厚度切變諧振模式下諧振頻率和該晶片表面所承受的壓力有關(guān)這一特殊特性，以及工業(yè)界對(duì)頻率可進(jìn)行高精度測(cè)量這一能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境壓力的傳感和測(cè)量。該石英晶體諧振器具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易于批量生產(chǎn)以及制造成本低等特點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0025]圖1是本發(fā)明石英晶體諧振器的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖2是采用本發(fā)明的石英晶體諧振器做成的智能壓力傳感器的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0028]本發(fā)明所述的石英晶體諧振器和智能壓力傳感器利用壓電石英晶片的壓電特殊特性對(duì)壓力進(jìn)行傳感測(cè)量，在環(huán)境大氣壓力逐漸降低的過(guò)程中，作用于壓電石英晶片表面的壓力減少，使得壓電石英晶片表面的電荷密度有相應(yīng)的變化，從而改變其輸出的諧振頻率，根據(jù)諧振頻率的變化轉(zhuǎn)化為需要測(cè)量的壓力的變化。
[0029]如圖1所示，為本發(fā)明一較佳的實(shí)施例，一種石英晶體諧振器10，包括壓電石英晶片101、基座103、感應(yīng)膜104和外蓋102。壓電石英晶片101的兩面上分別鍍有金屬電極，壓電石英晶片101被牢固地設(shè)置于基座103上?；?03上有兩金屬引出端106，兩金屬引出端106分別與兩金屬電極相接觸，作為石英晶體諧振器輸出端。外蓋102上開(kāi)設(shè)有一通孔105，外蓋102被扣蓋地設(shè)置于基座103上，外蓋102與基座103形成一個(gè)用于容納壓電石英晶片101的填充有氣體的封閉空間。感應(yīng)膜104密閉設(shè)置于通孔105上。
[0030]優(yōu)選的，壓電石英晶片101采用導(dǎo)電膠固定在基座103上，壓電石英晶片101為AT切壓電石英晶片。
[0031]壓電石英晶片101的形狀和尺寸可根據(jù)設(shè)計(jì)要求而定，其上的兩個(gè)金屬電極的形狀、尺寸、厚度和位置也可以根據(jù)設(shè)計(jì)要求而定。金屬電極的材料可以為鉻、鈦、鋁、銅、銅合金、鎳、鎳合金、銀、銀合金、金、金合金或任意以上金屬與其它金屬的合金。金屬電極的設(shè)置方法可以是真空濺射鍍膜、化鍍或其它任何適用的方法。
[0032]外蓋102上的通孔105的形狀、尺寸以及數(shù)量由設(shè)計(jì)要求而定，所于密封通孔105的感應(yīng)膜104的材質(zhì)、形狀、尺寸和厚度也由設(shè)計(jì)要求來(lái)確定。感應(yīng)膜104為具有一定彈性的薄膜，比如橡膠膜。
[0033]基座103與外蓋102所形成的密封空間內(nèi)填充有一大氣壓的惰性氣體，比如，氮?dú)狻Ｔ谝粋€(gè)大氣壓下，壓電石英晶片101的表面有相應(yīng)的電荷以及基座103上的兩個(gè)金屬引出端106輸出有相應(yīng)的諧振頻率。
[0034]當(dāng)將石英晶體諧振器10放置于氣球上時(shí)，氣球在上升的過(guò)程中，由于高度的變化而產(chǎn)生相應(yīng)大氣壓的變化。在高度逐漸升高的過(guò)程中，相應(yīng)高度的大氣壓在逐漸地減小。在這種情況下，密封設(shè)置于外蓋102上的感應(yīng)膜104有一定程度的向外凸出。感應(yīng)膜104內(nèi)部的惰性氣體由于擴(kuò)張而使內(nèi)部氣體的體積增大，從而減小了內(nèi)部惰性氣體作用于壓電石英晶片101表面的壓力，使得壓電石英晶片101表面的電荷密度有相應(yīng)的變化，從而改變通過(guò)基座103上的兩個(gè)金屬引出端106所輸出的諧振頻率，從而將周?chē)h(huán)境大氣壓力變化的信息轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)諧振頻率的變化信息。
[0035]如圖2所示，一種智能壓力傳感器，包括如上任一所述的石英晶體諧振器10、信號(hào)轉(zhuǎn)換器20和數(shù)據(jù)顯示器30。石英晶體諧振器10的感應(yīng)膜104置于需要檢測(cè)壓力的環(huán)境中，用于感應(yīng)環(huán)境壓力的變化，并輸出相應(yīng)的諧振頻率數(shù)據(jù)。信號(hào)轉(zhuǎn)換器20與石英晶體諧振器10相連接，用于將接收到的諧振頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓力數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)顯示器30與信號(hào)轉(zhuǎn)換器20相連接，用于將接收到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。該壓力傳感器可置于氣球上，對(duì)不同高度的環(huán)境大氣壓力進(jìn)行測(cè)量。
[0036]優(yōu)選的，信號(hào)轉(zhuǎn)換器20內(nèi)建立有頻率變化-壓力變化轉(zhuǎn)換表。頻率變化-壓力變化轉(zhuǎn)換表可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)建立，該轉(zhuǎn)換表具有建立在相應(yīng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)上的數(shù)據(jù)補(bǔ)償功能，能提高轉(zhuǎn)換精度。
[0037]石英晶體諧振器10將感受到的上升的壓力數(shù)據(jù)通過(guò)諧振頻率反饋給信號(hào)轉(zhuǎn)換器20，信號(hào)轉(zhuǎn)換器20在接收到從壓電石英晶片101輸出的諧振頻率后，根據(jù)其內(nèi)部已經(jīng)建立好并且編程好的頻率變化-壓力變化轉(zhuǎn)換表就可以得到相應(yīng)的壓力數(shù)據(jù)，即可獲得上升到達(dá)的海拔高度相對(duì)應(yīng)的大氣壓力變化和相對(duì)的頻率變化之間的關(guān)系，最后通過(guò)數(shù)據(jù)顯示器30輸出上升所到達(dá)的海拔高度相對(duì)應(yīng)的大氣壓力的信息。
[0038]一種傳感測(cè)量方法，該傳感測(cè)量方法使用任意一種如上所述的智能壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，包括以下步驟:步驟A、將壓力傳感器置于待測(cè)量的環(huán)境中，石英晶體諧振器10感受環(huán)境壓力的變化，并將感受到的壓力大小通過(guò)諧振頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出。步驟B、將所述諧振頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓力數(shù)據(jù)。步驟C、接收所述壓力數(shù)據(jù)并將其進(jìn)行顯示。
[0039]步驟A包括以下步驟:步驟A01、所述石英晶體諧振器10內(nèi)的感應(yīng)膜104感受到壓力變化并通過(guò)其內(nèi)部密封的惰性氣體作用于壓電石英晶片101的表面上。步驟A02、所述壓電石英晶片101表面上所承受的壓力發(fā)生變化，從而改變壓電石英晶片101在厚度切變諧振模式下諧振時(shí)的諧振頻率。
[0040]步驟B包括以下步驟:步驟B01、將接收到的諧振頻率數(shù)據(jù)與在一個(gè)大氣壓下壓電石英晶片的諧振頻率進(jìn)行比較，并計(jì)算出頻率差。步驟B02、將所述頻率差與信號(hào)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的頻率變化-壓力變化轉(zhuǎn)換表進(jìn)行比較，并輸出壓力數(shù)據(jù)。
[0041]由于壓電石英晶片101表面所受到的壓力的微小變化能夠引起該晶片的諧振頻率的巨大變化，所以在晶片表面所受到的壓力與晶片的諧振頻率這兩個(gè)物理特性的轉(zhuǎn)換過(guò)程中，在實(shí)施了對(duì)頻率的精確測(cè)量后，能夠有效地提高對(duì)環(huán)境大氣壓力測(cè)量的靈敏度。從而使得人們可以更精確地監(jiān)控生活環(huán)境中的大氣壓力以及和大氣壓力有關(guān)的眾多參數(shù)，為人類(lèi)生活環(huán)境的安全服務(wù)。
[0042]本發(fā)明的石英晶體諧振器10和智能壓力傳感器通過(guò)壓電石英晶片101在厚度切變諧振模式下諧振頻率和該晶片表面所承受的壓力有關(guān)這一特殊特性，以及工業(yè)界對(duì)頻率可進(jìn)行高精度測(cè)量這一能力，實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境壓力的傳感和測(cè)量。該石英晶體諧振器10和智能壓力傳感器具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、易于批量生產(chǎn)以及制造成本低等特點(diǎn)。為大批量制造出成本低的壓力傳感器提供了方便。
[0043]以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種石英晶體諧振器，其特征在于，包括壓電石英晶片、基座、感應(yīng)膜和外蓋，所述壓電石英晶片的兩面上分別鍍有金屬電極，所述壓電石英晶片固設(shè)于所述基座上；所述基座上有兩金屬引出端，所述兩金屬電極分別與兩金屬引出端相接觸；所述外蓋上開(kāi)設(shè)有一通孔，所述外蓋蓋置于所述基座上與基座形成一個(gè)用于容納所述壓電石英晶片的填充有氣體的封閉空間；所述感應(yīng)膜密閉設(shè)置于所述通孔上。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英晶體諧振器，其特征在于，所述壓電石英晶片為AT切壓電石英晶片。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英晶體諧振器，其特征在于，所述感應(yīng)膜為具有彈性的薄膜。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的石英晶體諧振器，其特征在于，所述基座與所述外蓋所形成的密封空間內(nèi)填充有一個(gè)大氣壓的惰性氣體。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的石英晶體諧振器，其特征在于，所述金屬電極為鉻、鈦、鋁、銅、銅合金、鎳、鎳合金、銀、銀合金、金、金合金或任意以上金屬與其它金屬的合金。6.一種智能壓力傳感器，其特征在于，包括如權(quán)利要求1至5任一所述的石英晶體諧振器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)顯示器，所述石英晶體諧振器的感應(yīng)膜置于需要檢測(cè)壓力的環(huán)境中，用于感應(yīng)環(huán)境壓力的變化，并輸出相應(yīng)的諧振頻率數(shù)據(jù)； 所述信號(hào)轉(zhuǎn)換器與所述石英晶體諧振器相連接，用于將接收到的諧振頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓力數(shù)據(jù)； 所述數(shù)據(jù)顯示器與所述信號(hào)轉(zhuǎn)換器相連接，用于將接收到的壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的智能壓力傳感器，其特征在于，所述信號(hào)轉(zhuǎn)換器內(nèi)建立有頻率變化-壓力變化轉(zhuǎn)換表。8.一種傳感測(cè)量方法，其特征在于，該傳感測(cè)量方法使用權(quán)利要求6或7所述的智能壓力傳感器進(jìn)行測(cè)量，包括以下步驟: 步驟A、將智能壓力傳感器置于待測(cè)量的環(huán)境中，石英晶體諧振器感受環(huán)境壓力的變化，并將感受到的壓力大小通過(guò)諧振頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出； 步驟B、將所述諧振頻率數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為壓力數(shù)據(jù)； 步驟C、接收所述壓力數(shù)據(jù)并將其進(jìn)行顯示。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟A包括以下步驟: 步驟A01、所述石英晶體諧振器內(nèi)的感應(yīng)膜感受到壓力變化并通過(guò)其內(nèi)部密封的氣體作用于壓電石英晶片的表面上； 步驟A02、所述壓電石英晶片表面上的壓力發(fā)生變化，從而改變壓電石英晶片在厚度切變諧振模式下諧振時(shí)的諧振頻率；10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的傳感測(cè)量方法，其特征在于，所述步驟B包括以下步驟: 步驟B01、將接收到的諧振頻率數(shù)據(jù)與在一個(gè)大氣壓下壓電石英晶片的諧振頻率進(jìn)行比較，并計(jì)算出頻率差； 步驟B02、將所述頻率差與信號(hào)轉(zhuǎn)換器內(nèi)的頻率變化-壓力變化轉(zhuǎn)換表進(jìn)行比較，并輸出壓力數(shù)據(jù)。
【文檔編號(hào)】G01L1/10GK105897217SQ201510506179
【公開(kāi)日】2016年8月24日
【申請(qǐng)日】2015年8月18日
【發(fā)明人】劉青健, 謝俊超, 李小菊, 張永樂(lè), 唐健玻, 楊偉華
【申請(qǐng)人】應(yīng)達(dá)利電子股份有限公司