石英压力传感器的结构设计和制造.pdf

石英压力传感器是一种高度精确的测量设备，广泛应用于各种工业、科研及航空航天领域，用于检测气体或液体的压力。本文将详细探讨石英压力传感器的结构设计原理及其制造工艺。 一、石英压力传感器的工作原理 石英晶体具有优异的弹性性能和压电效应。当外力作用于石英晶体时，其形状会发生变化，同时产生电荷；反之，当施加电压时，石英晶体会产生形变。这种现象被称为正压电效应和逆压电效应。石英压力传感器就是利用这一特性，通过测量晶体形变来间接测量压力。 二、石英压力传感器的结构设计 1. 基座与敏感元件：传感器通常由一个坚固的基座和一个安装在其上的石英敏感元件组成。基座用于固定和保护敏感元件，而敏感元件是实际进行压力检测的核心部分。 2. 敏感元件设计：石英敏感元件通常为圆形或矩形薄片，其表面被精密加工出特定的结构，如应变梁或悬臂梁。这些结构在受压时会产生微小的形变，导致压电效应的产生。 3. 接触电极：为了实现电荷转换，石英敏感元件的两侧通常会镀上电极。电极设计需要考虑到信号传输的效率和稳定性，以及对环境干扰的抵抗能力。 4. 防护罩与密封：为了保证传感器在恶劣环境下仍能正常工作，通常会设计一个防护罩将敏感元件和电路封装起来，并采用密封技术防止液体或气体进入。 三、石英压力传感器的制造工艺 1. 材料选择：选用高纯度、低杂质的石英晶体作为敏感元件材料，以保证其优良的物理和化学稳定性。 2. 单晶切割与抛光：石英晶体经过切割，形成所需尺寸和形状，然后进行精细抛光，以减少表面粗糙度，提高测量精度。 3. 微机械加工：使用光刻、蚀刻等微电子技术，在石英薄片上制作出应变梁或悬臂梁等结构。 4. 电极沉积：通过物理气相沉积（PVD）或化学气相沉积（CVD）方法，在石英薄片上沉积金属电极。 5. 封装与密封：将敏感元件和电子电路组装到基座上，然后用玻璃熔封或环氧树脂封装，确保传感器的防水、防尘和防震性能。 6. 校准与测试：每个传感器都需要经过严格的校准和测试，以确保其在各种工况下的测量准确性和稳定性。 总结，石英压力传感器的结构设计和制造工艺是精密的工程过程，涉及到材料科学、微电子技术、机械工程等多个领域。通过合理的结构设计和精确的制造工艺，可以实现高精度、高稳定性的压力测量，满足不同应用场景的需求。哈尔滨工程大学硕士研究生左策的研究，正是在这一领域进行深入探索，为石英压力传感器的技术发展做出了贡献。