单片式压电谐振型石英压力—温度传感器设计

宋国庆， 姚东媛， 邹向光， 谢胜秋

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

单片式压电谐振型石英压力—温度传感器设计

宋国庆， 姚东媛， 邹向光， 谢胜秋

(中国电子科技集团公司 第四十九研究所，黑龙江 哈尔滨 150001)

提出了一种采用石英力敏谐振器(QFSR)—石英热敏谐振器(QTSR)的单片式压电谐振型石英压力—温度传感器(QPTS)，设计了单片式QPTS结构、石英压力传感器的无应力封接方案以及新型压力—伸缩力变换器。单片式QPTS由QFSR和QTSR构成，均采用AT切型，厚度切变模式工作，不同的是QTSR的长边取向与石英X轴的夹角为60°。无应力封接方案使用石英、单晶硅、非晶态SiC、硼硅酸盐玻璃和柯伐合金的组合，并且利用石英化学刻蚀和物理修饰技术以及半导体的新工艺使QFSR和QTSR改性。其中，非晶态SiC层的制作是为了实现应力的缓冲：虽然硅和石英材料的热膨胀系数不匹配，可是二者之间的非晶态SiC层却能够良好地吸收其热应力，成为无应力结构。

石英压力—温度传感器； 压电谐振； 单片式； 厚度切变模式； 压力—伸缩力变换器； 非晶态SiC； 无应力封接

0 引 言

谐振式石英晶体压力传感器(QPS)是一种高精密、高稳定的传感器，分辨率高、长期稳定性优异。目前,QPS的工作模式主要有3种：声表面波模式(SAW)[1,2]、广义声表面波模式(例如表面横波模式[3])、声体波模式(BAW)[1,4],其中,技术指标最高的是全石英结构的声体波厚度切变模式QPS。Quartztronics公司、Quartzdyne公司、Schlumberger公司和Paroscientific公司的QPS产品指标已接近压力传感器测量的极限[1]：压力测量范围为0.1～276 MPa或0.1～1.38 MPa;分辨率1×10-6;准确度为0.008 %FS[1]，产品存在下述缺点：

1)由于石英晶体为各向异性，为了消除非弹性误差、热膨胀系数不匹配误差，其石英力敏谐振器(QFSR)、压力—力变换器、导力弹性体必须采用同一块石英晶体的同一切型、同一取向的晶块制作。此外，还需利用光学冷加工法制造光学等级的石英导压筒和位于筒内中间位置的透镜式QFSR，并需要在其表面制备激励、接收电极等，其工艺难度

大。我国宜春学院[6]改革了其结构和工艺，但却以牺牲传感器的准确度、温度稳定性和长期稳定性指标为代价。

2)QFSR和石英热敏谐振器(QTSR)为分立结构，体积大。且所敏感的温度和压力为不在同一位置、同一时刻的实时数值。

另一种类型QPS为音叉声体波弯曲振动模式QPS，例如俄罗斯的PKMA—1000.0型QPS[1]以及中国电子科技集团公司第四十九研究所研制的QPS[5]。其准确度较高，体积较小，主要缺点为：

1)导压装置、压力—力变换器为膜盒或玻登管。QFSR需通过膜盒或玻登管进行压力传递和压力—力变换后，被敏感。不仅增大了非弹性和热膨胀系数不匹配误差，而且降低了温度稳定性和长期稳定性指标。

2)在分辨率、温度稳定性等方面，弯曲振动模式QPS远低于厚度切变模式QPS。目前弯曲模式的双音叉QFSR受到工艺限制，不得不采用频温特性为抛物线的石英Z切型或Z+2切型[1]，其频温特性为二次曲线[1],远不如频温特性为三次曲线的AT切型[1]。

3)双音叉QFSR与导力弹性体、压力—力变换器的无应力封接技术是目前最大技术瓶颈，还没有找到与Z切型或Z+2切型QFSR完全匹配的封接材料。

由材料力学可知，板的抗弯、抗拉刚度远小于抗压刚度，因此，QPS板的垂直力所产生的弯曲形变远远大于平行力所产生的压缩形变[1]。上海交大已研制成功采用该结构的表面横波压力传感器[3，7～9]。

因为石英片的耐压缩力强度为抗拉强度、抗弯曲强度的24倍[1]，所以，为了解决高精度、大量程、宽温区和小型化不可兼得的矛盾，本文设计了以压力—伸缩力变换器为关键部件的QPTS。

1 结构设计

1.1 AT切型一体化的QFSR和QTSR

如图1所示，QPTS包括导压装置、压力—伸缩力变换器、一体化结构的QFSR和QTSR、压力接口装置、传感器壳体。与传统的QPS不同，它利用石英晶体、单晶硅、硼硅酸盐玻璃和柯伐合金优良的弹性，再配合特种半导体工艺、压电器件和石英冷加工工艺对压力—伸缩力变换器、一体化结构的QFSR和QTSR进行改性处理，构成了高性能的QPTS。

图1 采用AT切型一体化结构QFSR和QTSR的QPTS结构

压力接口装置、传感器壳体、导压弹性膜片、压力传导柱、基准压力柱皆由柯伐合金构成。基准压力柱是顶端具有阶梯缺口的中空管，而2根压力传导柱是其顶端具有半切头缺口的圆柱体。压力传导柱、基准压力柱、导压弹性膜片与壳体为一体化结构。

QFSR置于2根压力传导柱的相对阶梯缺口之间，并利用无应力封接法构成复合石英梁。基准压力柱顶端固定在压力传导柱之间的连接件上，基准压力柱的顶端有导压孔，当压力作用在导压膜片时，膜片产生上凸形变，受到基准压力柱的牵引作用，2根压力传导柱产生向内的压缩形变，从而将被测压力转换为平行于石英X轴(电轴)的压缩力，并施加给QFSR。

1.2 QPTS的工作机理

设AT切型厚度切变模式QFSR的长度方向为X轴，在参考温度T0时其压力为零，供电电压为V0，基准振荡频率为f01，作为被测压力函数的频率变化量为Δfp1，作为被测压力介质温度函数的频率变化量为ΔFT1,则当温度为T、压力为P时，QFSR的输出频率f1由式(1)表示

f1=f01+Δfp1+ΔFT1

(1)

另外，设温度为T时，QTSR的标准频率为f02，作为被测压力函数的QTSR频率变化量为Δfp2，作为被测压力介质温度函数的QTSR频率变化量为ΔFT2,由于Δfp2=0，因此，在温度为T，压力为P时，QTSR的输出频率f2由式(2)表示

f2=f02+ΔFT2

(2)

则输出频率差为

f1-f2=f01+Δfp1+ΔFT1-(f02+ΔFT2)

(3)

由于QFSR和QTSR是单片式一体化结构，并且置于同一个壳体内, 因此ΔFT1≈ΔFT2，显然

f1-f2=f01+Δfp1-f02

(4)

式中f01和f02均已知。从式(4)的两边分别减去(f01-f02)，整理后可以得到频差

δf=f1-f2-(f01-f02)=Δp1

(5)

若f01和f02相等，则

δf=f1-f2=Δfp1

(6)

则压力—频率的斜率(灵敏度)Sf为

Sf=Kf·f2/(D.n)

(7)

式中Kf为频率常数；f为QFSR工作频率；D为QFSR承受力的尺寸；n为泛音次数。则AT切型一体化结构的QPTS可将QFSR作为被测压力和温度的二元函数频率特性变成仅随着被测压力变化的一元函数特性，即，根据QFSR的Δfp1可知被测压力值。

2 QPTS的关键技术和创新点

2.1 AT切型QPTS的新型结构

AT切型厚度切变模式谐振器是一种经典的QFSR。早在1959年，G.Sauerbrey即提出[4]：当AT切型QFSR的厚度薄到适当尺寸时，压力灵敏度与QFSR的厚度平方成反比，即晶片愈薄，压力灵敏度愈高。此外，其压力灵敏度还受金属电极材料的种类、薄膜金属电极制作工艺、薄膜表面形态和内部金相结构以及与其接触的媒质之间的摩擦、粘滞作用等影响。上述因子均可能导致灵敏度下降，因此，存在一个最佳值问题。然而G.Sauerbrey的观点多年来却没有引起人们的重视。本文根据G.Sauerbrey的观点进一步创新，研制了新型结构QPTS。

QPTS的基础和关键是高Q值的QFSR和QTSR的设计和制备。两者皆采用AT切型。根据式(7)可知，Sf和f2成正比，而和n成反比，因此，提高Sf的关键技术是采用基频工作，提升工作频率和减小受力处的尺寸。

AT石英的X轴和Z′轴方向的弹性常数不等，导致声体波在X轴和Z′轴方向的传输常数不同，因此，其振动位移截面的分布图为椭圆形。常规的电极结构能阱效果差，Q值低，轮廓振动寄生模式强。为了提高Q值，减少边缘的模式转换，防止轮廓振动寄生模式形成驻波，必须选择最佳的边比(长度L/宽度W)值，并对石英片进行形体修饰：先利用湿法刻蚀技术对QFSR粗加工，使其QFSR长度方向为X轴，其长度尺寸为L，宽度尺寸为W，取向为Z′轴；然后利用激光调整修正其边缘和形貌。

在QPTS中的设置了与QFSR关键特性参数相近的一体化AT切型QTSR。其长边方向与石英的X轴成45°～75°角，且f02与QTSR在压力等于零时的f01相近，但不相等。因此，尽管QTSR受到压力作用，但其频率—压力变化率仍为零，即对压力不敏感，而温度灵敏度却比较高。另外，在QFSR和QTSR晶片连接处，利用刻蚀工艺和激光装置加工一些直径约为1 mm的通孔作为应力阻尼孔，以便改变QFSR和QTSR连接处的声阻抗，降低各个振动模式之间的声耦合，提升对寄生振动模式的抑制度，获得高Q值和优异的时间稳定性。单片式QFSR和QTSR的结构如图2所示。

图2 单片式QFSR和QTSR的结构示意图

通过选择适宜的激励和接收电极尺寸以及制备多层膜电极，可提升能阱效果，增强对弯曲振动、伸缩振动寄生模式的抑制。QFSR电极尺寸为4.0 mm×2.5 mm；QTSR的电极尺寸为2.39 mm×1.25 mm；电极膜皆为4层结构，依次为Cr,Au,Cr和Au层。与常规电极相比，其动态电阻可以减少8 Ω左右。

2.2 QPTS无应力封接方案

QFSR与导压弹性体、压力—伸缩力变换器的无应力封接是高精度QPTS的关键技术之一。不适宜封接操作将减少QFSR的Q值，降低其分辨率和时间稳定性。导压弹性体在导压的同时也会产生一些不良后果：

1)与QFSR弹性常数不相等的导压弹性体受力后，在QFSR与导压弹性体之间将产生相对位移，尤其是石英晶体的弹性常数为各向异性的，很难与常规弹性体匹配。此外，声体波在AT切型QFSR的X轴和Z′轴向上的传输常数不等，导致其振动位移分布图呈椭圆形，从而更增加了无应力封接的难度。

2)导压弹性体或压力—伸缩力变换器与QFSR之间的不适宜的封接将带来蠕变、迟滞。

3)不同材料的封接将产生热应力，可是目前包括低温玻璃粉在内的任何黏结剂几乎都是各向同性材料，因此，利用常规封接工艺对各向异性的QFSR进行封接，将带来较大的热应力。

由于QPTS的关键部件主要是由石英晶体材料和柯伐合金构成的，因此，只需对压力传导柱与QFSR接合处进行无应力封接即可获得优良的效果。

首先选择热膨胀系数接近于石英晶体的单晶硅材料，再采用下述工艺制作一体化结构件：利用光刻和各向异性刻蚀法制作2片近似于半圆形的单晶硅结构件，然后采用半导体工艺使其上表面和侧面形成厚度为80 μm左右的非晶态SiC层，再用异质外延法在SiC层上生长厚度小于10 μm的SiO2层。然后应用氧等离子表面活性化法使其与QFSR键合，形成一体化的力敏结构件。最后用静电封接法在一体化力敏结构件两端封接上半圆形硼硅酸盐玻璃片，用低温玻璃粉将它们与柯伐合金的压力传导柱烧结在一起，形成刚性连接的无应力封接体。

制作非晶态SiC层的目的是在单晶硅上生长一层晶格常数差别大的SiO2异质外延层，以便与QFSR半圆形端头的下表面实现无应力封接。非晶态SiC层的弹性佳，并能起到缓冲作用。当环境温度变化时，虽然硅和石英材料的热膨胀系数不等，但由于非晶态SiC层的应力吸收作用，使得热应力对QPTS的不良影响可以忽略。因为非晶态SiC层与单晶硅、石英晶体材料、硼硅酸盐玻璃、柯伐合金之间均为刚性接合，所以，能够完全满足QPTS的精密、高稳定的封接要求。

3 测量与讨论

利用ANSYS有限元模式(FEM)软件对设计的QPTS壳体、导压弹性膜片、压力传导柱、基准压力柱、压力—伸缩力变换器等进行了应变数字仿真。仿真结果中的冯·米塞斯弹性应变(Von mises elastic strain )如图3所示。

图3 QPTS的导压件、压力—伸缩力变换器等的冯·米塞斯弹性应变图

利用一等标准活塞压力计、一等标准铂电阻温度计、美国福禄克恒温水槽等对QPTS进行了静态标定和稳定性实验，其结果示见表1。

表1 QPTS技术指标

常温下，利用HP4149A型网络分析仪测得：QFSR的f01为15.592 MHz;动态电阻为25 Ω；QTSR的f02为15.694 MHz，动态电阻为36 Ω；Q值高达15,000～16,500。显然比常规设计方法的动态电阻小很多。此外，QFSR和QTSR的频谱干净：在归一化频率0.99～1.01内，寄生模式的抑制可达30～35 dB。为QPTS的高分辨率和长期稳定性奠定了基础。

4 结束语

提出了一种采用QFSR和QTSR的单片式QPTS设计方案、单片式QPTS结构、无应力封接方法以及新型压力—伸缩力变换器。设计的单片式QPTS具有技先进性、新颖性和实用性。申报的中国发明专利正处于实质审查阶段。

在QPTS设计方案中，无应力封接方案有效地利用了石英、单晶硅、非晶态SiC、硼硅酸盐玻璃和柯伐合金特性的配合以及压电器件、玻璃冷加工和特殊半导体工艺改善了QFSR的本征特性，提高了QPTS的技术指标。为解决石英传感器行业存在的“高精度、宽量程、宽温区、低成本、小型化不易兼顾的矛盾”解决了某些难题，但是限于人力、物力的不足，实验比较粗糙，理论探索尚显苍白。

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[2] 电子工业部科技情报所.CY—MB—801型水晶压力传感器[R].北京：电子工业部科技情报所，1994：1-13.

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[4] Sauerbre G.Verwendung von schwingquarsen zur wangung dunner schichten und mikrowangung[J].Z Phys，1959，155:206-209.

[5] 潘安宝,闻 化,姚东媛,等.石英晶体谐振式绝对压力传感器研制[J].传感器与微系统,2008,27(1):85-86,89.

[6] 陈 敏.石英谐振式压力传感器的研制[J].宜春学院学报,2002(4):10-12.

[7] 韩 涛,林 江.表面横波压力和温度传感器:中国,CN 200910051176.9[P].2009—08—02.

[8] 韩 涛,林 江.表面横向波动模式轮胎压力传感器:中国,CN 200910053308.1[P].2009—12—2.

[9] 韩 涛,林 江.采用复合模的声表面波压力传感器:中国,CN 200810200320[P].2009—01—28.

Design of monolithic piezo-resonant quartz pressure-temperature sensors

SONG Guo-qing, YAO Dong-yuan , ZOU Xiang-guang, XIE Sheng-qiu

(The 49th Research Institute，China Electronics Technology Group Corporation,Harbin 150001,China)

The design of a monolithic piezo-resonant quartz pressure-temperature sensors using quartz force sensing resonator(QFSR)-quartz temperature sensing resonator(QTSR)，a structure for monolithic quartz pressure-temperature sensors(QPTS)，a stress-free sealing scheme for quartz pressure sensor and a new type of pressure-contractility converter are proposed.The monolithic QPTS is composed of QFSR and QTSR,which uses AT cut quartz crystal and thickness shear mode,the difference is that the angle between the long edge orientation of the QTSR andXaxis of quartz crystal is 60°.The stress-free sealing scheme for QFSR and QTSR is a combination of quartz,single crystal silicon,non-crystalline SiC，borosilicate glass and Kovar alloy,and the QFSR and QTSR are modified by chemical etching technology and physical modification technology about quartz and the new technology for semiconductor.A non-crystalline SiC layer is prepared in order to achieve the stress buffer:although the mismatch of coefficient of thermal expansion of silicon and quartz,but the non-crystalline SiC layer between the silicon and quartz layers can well absorb the thermal stress,it will become stress-free structure.

quartz pressure-temperature sensor(QPTS); piezo-resonant; monolithic; thickness-shear mode; pressure contractility converter; non-crystalline SiC; stress-free sealing

10.13873/J.1000—9787(2017)05—0102—04

2017—03—31

TP 212

A

1000—9787(2017)05—0102—04

宋国庆(1964-)，男，高级工程师，主要从事传感器技术与制造工艺技术研究工作。