石英音叉諧振式溫度傳感器及關(guān)鍵技術(shù)的研究.pdf

1、石英晶體溫度傳感器的工作原理是基于壓電諧振器對(duì)溫度的熱敏感性，屬于熱敏型壓電諧振傳感器。石英晶體溫度傳感器具有精度高、遲滯小和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，是一種以頻率作為輸出信號(hào)的準(zhǔn)數(shù)字溫度傳感器，在高精密測溫領(lǐng)域中發(fā)揮著重要的作用。
　　各向異性的石英晶體具有壓電效應(yīng)屬于壓電彈性體，存在固有諧振頻率，其諧振頻率特性與晶體的切向密切相關(guān)。通過合理設(shè)計(jì)石英晶體的切向，可使石英晶體的諧振頻率與溫度密切相關(guān)，因此可根據(jù)石英晶體的頻率溫度特性來設(shè)計(jì)制

2、造溫度傳感器。
　　石英音叉諧振式溫度傳感器是石英晶體溫度傳感器的一個(gè)分支，基本原理是外界的溫度變化引起石英音叉諧振器的頻率變化，通過檢測石英音叉諧振器的頻率變化來檢測溫度的變化。石英音叉諧振式溫度傳感器具有分辨率高、體積小、成本低、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，是低功耗高精密溫度傳感器研究的重要方向之一。
　　本文提出了一種MEMS石英音叉諧振式溫度傳感器，采用石英晶體熱敏新切型，使該新型溫度傳感器的靈敏度相比于傳

3、統(tǒng)的石英音叉溫度傳感器具有較大的提升。論文針對(duì)石英音叉諧振式溫度傳感器的基礎(chǔ)理論、設(shè)計(jì)方法、加工工藝和測量方法等關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了較為全面深入的研究，主要完成以下工作:
　　1.提出了基于MEMS石英音叉諧振式溫度傳感器新結(jié)構(gòu)，確定了傳感器研究的總體方案。
　　2.闡述了基于壓電振動(dòng)理論的石英音叉諧振式溫度傳感器的基本結(jié)構(gòu)與工作原理;分析了石英音叉的諧振器結(jié)構(gòu)特性，采用H型音叉臂和合理的電極設(shè)置，提高了諧振器的品質(zhì)因數(shù)，從而

4、提高了傳感器的信噪比;基于壓電本構(gòu)方程和彈性力學(xué)振動(dòng)理論，建立了石英音叉壓電懸臂梁彎曲振動(dòng)的力學(xué)振動(dòng)模型，推導(dǎo)出振動(dòng)方程，實(shí)現(xiàn)對(duì)石英音叉諧振頻率的求解。
　　3.基于石英音叉諧振器的頻率溫度特性，建立了石英晶體頻率溫度系數(shù)的理論分析模型，在滿足石英晶體諧振式傳感器設(shè)計(jì)要求的前提下，通過雙坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)了石英晶體的熱敏新切型;建立了石英音叉諧振式溫度傳感器靈敏度計(jì)算模型，估算靈敏度約為-2Hz/℃。
　　4.基于壓電效應(yīng)和機(jī)電耦

5、合理論，在考慮石英音叉的機(jī)電特性的前提下，基于漢密爾頓理論，推導(dǎo)出壓電晶體的有限元計(jì)算方程;并利用ANSYS軟件對(duì)設(shè)計(jì)的石英音叉諧振器進(jìn)行了模態(tài)仿真分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化;設(shè)計(jì)了傳感器的MEMS加工工藝流程，成功研制出石英音叉諧振式溫度傳感器樣機(jī)。
　　5.研制了基于電容補(bǔ)償?shù)拈]環(huán)正反饋振蕩電路，搭建了石英音叉諧振式溫度傳感器測試平臺(tái);在-20～100℃的溫度范圍內(nèi)，測試了石英音叉諧振式溫度傳感器樣機(jī)的主要性能參數(shù)，靈敏度為-1.9Hz/