阅读说明：本技术 一种高精度谐振球式压力传感器 (High-precision resonant ball type pressure sensor ) 是由 王建 陈昱璠 韩东祥 李勇 李小换 曲祥军 陈杉杉 尹玉刚 金小锋 于 2020-11-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种高精度谐振球式压力传感器,包括谐振球(1)和背腔结构(2),所述谐振球(1)设置于所述背腔结构(2)上表面,所述谐振球(1)功能区嵌入所述背腔结构(2)腔体内,所述谐振球(1)与所述背腔结构(2)在所述背腔结构(2)位置设置有空腔,所述空腔内的所述谐振球(1)和所述背腔结构(2)相对应面上分别设置有电极。谐振球表面电极与背腔结构表面电极成对布置于结构表面上,形成谐振球的驱动电极和检测电极。驱动电极用于将谐振球驱动至相应的振动模态(频率),检测电极用检测不同压力作用下谐振球频率的变化,进而实现压力的测量。(The invention provides a high-precision resonant ball type pressure sensor which comprises a resonant ball (1) and a back cavity structure (2), wherein the resonant ball (1) is arranged on the upper surface of the back cavity structure (2), a functional area of the resonant ball (1) is embedded into a cavity of the back cavity structure (2), the resonant ball (1) and the back cavity structure (2) are provided with a cavity at the position of the back cavity structure (2), and corresponding surfaces of the resonant ball (1) and the back cavity structure (2) in the cavity are respectively provided with an electrode. The resonant sphere surface electrodes are arranged on the structure surface in pairs with the back cavity structure surface electrodes, forming the drive electrodes and the detection electrodes of the resonant sphere. The driving electrode is used for driving the resonant ball to a corresponding vibration mode (frequency), and the detection electrode is used for detecting the change of the frequency of the resonant ball under the action of different pressures so as to further realize the measurement of the pressure.)

一种高精度谐振球式压力传感器

技术领域

本发明涉及压力传感器领域，具体涉及一种高精度谐振球式压力传感器。

背景技术

随着航空、航天、海洋、气象等领域的技术发展，对压力传感器的测量精度、长期稳定性有了更高的要求。为了进一步提高压力传感器的测量精度和长期稳定性等性能，需要采用谐振球式原理的压力传感器，以满足各领域的技术需求。

目前，高精度谐振式压力传感器主要有振动筒式压力传感器、石英谐振式压力传感器和硅谐振式压力传感器。其中，振动筒式压力传感器的核心振动筒采用金属材料经机械加工而成，并利用压电驱动或者电磁驱动的方式进行工作。金属振动筒的加工误差大，残余应力高，导致振动筒式压力传感器的Q值低，长期稳定性差。石英谐振式压力传感器和硅谐振式压力传感器的核心谐振器采用石英材料或硅材料加工而成，其Q值一般在几千至几万之间，但是需要利用力学传递结构将压力转变为作用于谐振器上应力，通过检测谐振器频率的变化实现压力的测量。由于采用了额外的力学传递结构，导致该类谐振式压力传感器的结构复杂、迟滞和重复性较差，影响测量的精度和长期稳定性。

发明内容

本发明为了解决现有技术中金属振动筒的加工误差大，残余应力高，导致振动筒式压力传感器的Q值低，长期稳定性差；石英谐振式压力传感器和硅谐振式压力传感器采用了额外的力学传递结构，导致该类谐振式压力传感器的结构复杂、迟滞和重复性较差，影响测量的精度和长期稳定性的问题，提供了一种高精度谐振球式压力传感器，通过压力介质是直接作用于谐振球表面上，无需额外的力学传递结构，可以极大地减小传感器的迟滞和重复性误差，解决了上述问题。

本发明提供了一种高精度谐振球式压力传感器，包括谐振球和背腔结构，谐振球设置于背腔结构上表面，谐振球功能区嵌入背腔结构腔体内，谐振球与背腔结构在背腔结构位置设置有空腔，空腔内的谐振球和背腔结构相对应面上分别设置有电极。

谐振球本体与谐振球固支部采用同种材料一体加工而成，既固支谐振球本体，又形成密封连接结构，实现压力感知结构。谐振球固支部与背腔结构通过填料键合等方式实现真空密封，形成绝压测量真空腔，并将谐振球表面电极和背腔结构表面电极连通至真空腔外部，用于封装电学引线。

本发明所述的一种高精度谐振球式压力传感器，作为优选方式，谐振球包括谐振球本体、谐振球固支部和谐振球表面电极，谐振球本体为空心半球体，谐振球固支部为长方体，谐振球固支部最短边长大于谐振球本体直径，谐振球本体设置在谐振球固支部一侧，谐振球固支部上设置有与谐振球本体空心连通的通孔，谐振球表面电极设置在谐振球本体凸外表面。

本发明所述的一种高精度谐振球式压力传感器，作为优选方式，背腔机构包括背腔结构本体、背腔和背腔表面电极，背腔结构本体为长方体，背腔为半球形空腔，背腔设置在背腔结构本体上表面，背腔表面电极设置在背腔内部。

本发明所述的一种高精度谐振球式压力传感器，作为优选方式，背腔直径大于谐振球本体直径。

本发明所述的一种高精度谐振球式压力传感器，作为优选方式，谐振球表面电极和背腔表面电极对应设置。

本发明所述的一种高精度谐振球式压力传感器，作为优选方式，谐振球表面电极数量和背腔表面电极数量均为偶数个。

本发明所述的一种高精度谐振球式压力传感器，作为优选方式，谐振球本体和谐振球固支部为一体加工结构。

本发明所述的一种高精度谐振球式压力传感器，作为优选方式，谐振球固支部为设置谐振球本体侧面为正方形面的扁长方体。

谐振球表面电极，采用均布的4个电极、6个电极、8个电极等偶数电极分布形式。所述背腔结构表面电极，采用均布的4个电极、6个电极或8个电极等偶数电极分布形式。谐振球表面电极与背腔结构表面电极成对布置于结构表面上，形成谐振球的驱动电极和检测电极。驱动电极用于将谐振球驱动至相应的振动模态(频率)，检测电极用检测不同压力作用下谐振球频率的变化，进而实现压力的测量。

本发明有益效果如下：

(1)测量精度和分辨率高。谐振球采用低膨胀系数玻璃或熔石英等材料加工制成，具有结构简单，一致性好等优点，其Q值能够达到几十万至百万量级，比现有的谐振式压力传感器的Q值高一个量级以上。而且由于压力介质是直接作用于谐振球表面上，无需额外的力学传递结构，可以极大地减小传感器的迟滞和重复性误差。上述两方面的优点有效保证了压力传感器具有极高的测量精度和分辨率。

(2)长期稳定性好。谐振球及其固支边均是采用同质的低膨胀系数玻璃或熔石英等材料加工制成，可以消除结构残余应力和热应力，有效保证该谐振球式压力传感器的长期稳定性。

附图说明

图1为一种高精度谐振球式压力传感器示意图；

图2为一种高精度谐振球式压力传感器谐振球示意图；

图3为一种高精度谐振球式压力传感器背腔结构示意图。

附图标记：

1、谐振球；11、谐振球本体；12、谐振球固支部；13、谐振球表面电极；2、背腔结构；21背腔结构本体；22、背腔；23、背腔表面电极。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚.完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1所示，一种高精度谐振球式压力传感器，1.一种高精度谐振球式压力传感器，其特征在于：包括谐振球1和背腔结构2，谐振球1设置于背腔结构2上表面，谐振球1功能区嵌入背腔结构2腔体内，谐振球1与背腔结构2在背腔结构2位置设置有空腔，空腔内的谐振球1和背腔结构2相对应面上分别设置有电极。

如图2所示，谐振球1包括谐振球本体11、谐振球固支部12和谐振球表面电极13，谐振球本体11为空心半球体，谐振球固支部12为长方体，谐振球固支部12最短边长大于谐振球本体11直径，谐振球本体11设置在谐振球固支部12一侧，谐振球固支部12上设置有与谐振球本体11空心连通的通孔，谐振球表面电极13设置在谐振球本体11凸外表面。

如图3所示，背腔结构2包括背腔结构本体21、背腔22和背腔表面电极23，背腔结构本体21为长方体，背腔22为半球形空腔，背腔22设置在背腔结构本体21上表面，背腔表面电极23设置在背腔22内部。

背腔22直径大于谐振球本体11直径。谐振球表面电极13和背腔表面电极23对应设置。谐振球表面电极13数量和背腔表面电极23数量均为偶数个。谐振球本体11和谐振球固支部12为一体加工结构。谐振球固支部12为设置谐振球本体11侧面为正方形面的扁长方体。

谐振球本体11和谐振球固支部12由玻璃或熔石英材料一体加工而成，其中谐振球本体11采用吹塑工艺加工而成。背腔结构2采用的材料与谐振球1采用的材料一致，其中球型凹槽采用湿法腐蚀工艺或球形研磨抛光工艺加工而成。采用真空填料键合工艺，将谐振球固支部12和背腔结构本体21进行键合，形成结构刚性连接和真空绝压参考腔，并将内部电极引至外部，便于封装。谐振球本体11一面感知零标准压力，另一面感知被测环境压力，从而实现绝对压力测量。

根据不同压力量程的需求，采用吹塑工艺，在玻璃或石英谐振球固支部12上吹制出谐振球本体11。采用硬掩膜结合侧面电极沉积工艺技术，获得谐振球表面电极13。

背腔结构2采用湿法腐蚀工艺或球形研磨抛光工艺，制备球型凹槽结构。采用硬掩膜结合侧面电极沉积工艺技术，获得背腔表面电极23。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。