石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器研究

石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器研究
石英晶體巴魯夫位移傳感器的工作原理是基于壓電諧振器對溫度的熱敏感性，屬于熱敏型壓電諧振傳感器。石英晶體巴魯夫位移傳感器具有精度高、遲滯小和穩(wěn)定性好等優(yōu)點，是一種以頻率作為輸出信號的準數(shù)字巴魯夫位移傳感器，在高精密測溫領域中發(fā)揮著重要的作用。

石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器研究
石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器是石英晶體巴魯夫位移傳感器的一個分支，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。石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器具有分辨率高、體積小、成本低、功耗低、抗*力強、穩(wěn)定性好等特點，是低功耗高精密巴魯夫位移傳感器研究的重要方向之一。提出了一種MEMS石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器，采用石英晶體熱敏新切型，使該新型巴魯夫位移傳感器的靈敏度相比于傳統(tǒng)的石英音叉巴魯夫位移傳感器具有較大的提升。針對石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器的基礎理論、設計方法、加工工藝和測量方法等關鍵技術問題進行了較為全面深入的研究，主要完成以下工作：提出了基于MEMS石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器新結構，確定了傳感器研究的總體方案。闡述了基于壓電振動理論的石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器的基本結構與工作原理；分析了石英音叉的諧振器結構特性，采用H型音叉臂和合理的電極設置，提高了諧振器的品質(zhì)因數(shù)，從而提高了傳感器的信噪比；基于壓電本構方程和彈性力學振動理論，建立了石英音叉壓電懸臂梁彎曲振動的力學振動模型，推導出振動方程，實現(xiàn)對石英音叉諧振頻率的求解,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計要求的前提下，通過雙坐標旋轉設計了石英晶體的熱敏新切型；建立了石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器靈敏度計算模型，估算靈敏度約為–2Hz/℃?；趬弘娦蜋C電耦合理論，在考慮石英音叉的機電特性的前提下，基于漢密爾頓理論，推導出壓電晶體的有限元計算方程；并利用ANSYS軟件對設計的石英音叉諧振器進行了模態(tài)仿真分析和結構優(yōu)化；設計了傳感器的MEMS加工工藝流程，成功研制出石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器樣機。研制了基于電容補償?shù)拈]環(huán)正反饋振蕩電路，搭建了石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器測試平臺；在-20~100℃的溫度范圍內(nèi)，測試了石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器樣機的主要性能參數(shù)，靈敏度為–1.9Hz/℃、非線性誤差為1.8%、分辨力為0.0125℃。 

石英音叉諧振式巴魯夫位移傳感器研究
各向異性的石英晶體具有壓電效應屬于壓電彈性體，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。通過合理設計石英晶體的切向，可使石英晶體的諧振頻率與溫度密切相關，因此可根據(jù)石英晶體的頻率溫度特性來設計制造巴魯夫位移傳感器。