本发明涉及一种谐振式温度传感器，尤其涉及一种采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器。它可用于医学肿瘤的治疗与监测、石油井下环空温度检测、地震前兆预警（地壳板块撞击导致地震井水温异常）、航空、航天以及军用热像仪的飞行器瞄准等需要“高精度”、“快响应”、“高机械强度”测温系统，属于光机电一体化的的谐振式传感器技术领域。
背景技术：
众所共知，“高精度”、“快响应”、“高机械强度”是谐振式石英音叉温度传感器以及其他各种高性能温度传感器的关键技术指标。因为三者的指标是相互矛盾，并且互相制约的，所以在一定意义上，它们是“鱼”与“熊掌”不可兼得的技术指标关系。
传统的谐振式石英音叉温度传感器采用具有二枚叉臂的热敏石英音叉谐振器结构，即所谓二叉臂谐振式石英音叉温度传感器。其主要特征是，热敏音叉谐振器的二枚叉臂在该两叉臂所构成的平面内，彼此平衡地、异相地进行弯曲振动，构成一种“面内弯曲振动”，即所谓的“厚度弯曲振动”模式。例如：本发明人之一发表的论文、专利以及国外某些公司的产品样本皆属于此类型:
1、林江、张滨华等人：《低成本高性能的谐振式石英音叉温度传感器》的论文（low–costhigh-performancequartztuning-forktemperaturesensor）发表在icecm-icsa’95proceedingsofinternationalconferenceonelectroniccomponents,sensorsandactuators,1995,p326～328；
2、何谨、林江等人：《一种低成本高性能的谐振式石英音叉温度传感器》的论文(
3、
4、美国、德国、俄罗斯、日本、英国等的谐振式石英晶体温度传感器产品样本。
传统的谐振式石英音叉温度传感器要获得“快响应”、“高机械强度”、“高精度”特性的主要方法是缩小石英音叉叉臂的长度l，减少其基部区的高度和宽度，可是这将导致其谐振频率上升，串联等效电阻值增大，功耗增大。为了维持石英音叉热敏谐振器的工作频率不变，必须缩小每个叉臂的宽度。这将带来某些副作用：各电极的制作宽度以及各连接电极的间隔变得狭窄，从而不仅给电极的加工工艺带来一定的困难，成品率下降，而且电极的品质得不到保证，可能出现断线、短路，线条不平整，往往存在针孔或小岛状缺陷。
如果缩短石英音叉的基区高度和宽度，则音叉叉臂的谐振能量将通过该基区和封装结构漏泄出去，从而将导致串联等效电阻值增大，q值降低，传感器的温度分辨率变差，精度下降，长期稳定性变差。虽然中国专利cn201314848y采取下列措施，改善其特性：
在音叉表面开有以音叉的中心线对称分布的多个矩形孔，位于第一叉臂上的孔之内壁固定有与第一电极连接的金属膜，位于第二叉臂上的孔的内壁固定有与第二电极连接的金属膜，音叉的侧壁开有以音叉的中心线对称的多个矩形缺口，位于第一叉臂侧壁上的矩形缺口和位于音叉基础的左侧壁的矩形缺口之内壁均固定有与第二电极连接的金属膜，位于第二叉臂上的缺口和位于音叉基础的右侧壁上的缺口之内壁均固定有与第一电极连接的金属膜。该措施可以提高电场激励效率，但是在音叉的中心线、音叉的叉臂上加工的矩形通孔、缺口将导致传感器抗外界的机械振动、冲击能力下降，特别是在矩形通孔、缺口的直角交界处很容易产生应力集中：
利用有限元法分析可知：当石英音叉温度传感器置于运动体中受到加速度作用时，与叉臂的外侧相互对照，其叉臂前端的内侧已发生较大的扭曲形变。如果从叉臂的前端一方观测其基部区，那么会观察到：
由于叉臂前端内侧的等效刚度远大于其外侧的等效刚度，因此在两叉臂与基部区的连接处附近区域将产生明显的应力集中现象，特别是在叉臂上存在矩形通孔、缺口附近，其应力集中现象更严重，往往导致两叉臂与基部区的连接处附近或矩形通孔、缺口附近的叉臂出现裂纹，甚至损坏。显然，矩形通孔、缺口将大幅度地降低谐振式石英音叉温度传感器的抵抗外界的机械振动和冲击能力以及其长期稳定性，显然不适宜在恶劣环境下工作。此外，传统的谐振式石英音叉温度传感器还存在下述问题：
所述专利以及目前公开的技术文献仅原则性地指出了在基部区加工沟槽以便降低谐振能量通过基部区和封装结构向外部的漏泄方法的名称，但还没有人具体指出基部区沟槽加工的最佳位置以及公布其基部区沟槽与音叉各部件之间的数学物理关系。
综上所述，目前谐振式石英音叉温度传感器实现“快响应”、“高机械强度”、“高精度”的方法是以牺牲某些关键技术指标，尤其是降低其长期稳定性和增加生产成本为代价：
传感器体积的缩小——叉臂短而窄将导致激励电极面积大幅度的减少，从而引起电场激励效率变差，压电活力下降，串联等效电阻值增大，q值（品质因数）明显的降低，传感器的温度分辨率变差，精度下降。此外，叉臂上加工的矩形通孔、缺口的要害缺陷是将引起石英音叉温度传感器的机械强度、抵抗外界的机械振动和冲击能力以及长期稳定性变差。
因此，人们迫切地希望一款结构简单、安装方便、体积小，主模式频谱干净，激励电场效率高，压电活力强，没有寄生振动模式的高q值、高温度分辨率，快响应和耐外界的机械振动、冲击能力强、成品率高的谐振式石英音叉温度传感器问世。一言蔽之曰，渴望研制成功一种高强度、快响应、高精度的谐振式石英温度传感器。
技术实现要素：
本发明的目的是解决上述问题，提供一种采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器。它的特点是压电活力强，激励电场效率好，q值高，工作模式频谱干净，没有寄生振动模式，温度分辨率优异，准确度高，响应速度快，结构简单、安装方便，体积小，机械强度高，耐机械振动、抗冲击能力佳。
本发明的目的是这样实现的：
如图1所示，一种采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器10包括锌白铜合金管帽11、具有2枚镀金的可伐合金丝管脚13和玻璃粉缘绝缘体14的可伐合金管座12、由锌白铜合金管帽11与可伐合金管座12构成的一体化封装结构23以及安装在其内部的面弯曲（或称为宽度弯曲）振动模式工作的三叉臂热敏石英音叉谐振器1。
以焊料7，把所述的2枚镀金的可伐合金丝管脚13分别与三叉臂热敏石英音叉谐振器1的汇流条电极一6和汇流条电极二8在电学上连接在一起，从而固定在一体化封装结构23内部，并担负了与外电路的电学连接任务。三叉臂热敏石英音叉谐振器1的各个叉臂在振动（工作）状态和静止（非工作）状态下皆不能与一体化封装结构23物理接触。
石英晶体是一种属于三方晶系的单晶，具有各向异性。其弹性常数随着石英晶体的晶向不同而改变，即以几何与代数中的“张量”（tensor)形式变化。其弹性常数—温度特性张量中的每一种分量是不同的。显然，采用不同石英晶体切型的石英音叉谐振器的频率—温度特性差异很大，同时其频率—温度特性也随着在石英晶体切型中的方位角改变。本发明的三叉臂热敏石英音叉谐振器1的晶体切型是双转角xytl(115°±5)/（10°±10°)切型。使用该切型的石英晶体目的是为了获得高温度分辨率、低寄生振动模式以及对工艺误差要求不苛刻等。
本发明没有采用常规的二叉臂石英音叉结构以及惯用的厚度弯曲振动模式工作的石英音叉热敏谐振器；而是采用三叉臂石英音叉的修正式创新结构以及新颖的宽度弯曲（亦称作“面弯曲”）振动模式工作的三叉臂热敏石英音叉谐振器。与传统的谐振式石英音叉温度传感器不同，它的各个叉臂的振动方向不是与音叉主表面（即厚度方向）处于同一平面内，而是与音叉主表面垂直，即在音叉主表面法线方向上振动，其中位于音叉外侧边缘的叉臂一201和叉臂二202的振动是同相位，而位于中央的单叉臂203的振动方向也与音叉主表面垂直，但是却与位于边缘外侧的叉臂一201和叉臂二202的振动相位相反。该修正型三叉臂音叉的谐振频率f不随着叉臂宽度w而改变，其谐振频率f仅是叉臂长度l的平方和叉臂厚度t的函数。
因此，本发明利用修正型三叉臂音叉结构把传统的谐振式石英音叉温度传感器要求精密的控制叉臂宽度w加工精度的一项难题转化为目前比较容易实现的叉臂厚度t尺寸的精密加工问题。众所共知，目前晶体厚度的加工精度已经能够达到亚微米数量级，显然本发明绕过当前的晶体宽度加工技术精度不高之短板，扬长避短，明显地降低了工艺难度，提高了成品率，降低了生产成本。此外，采用三叉臂石英音叉的修正式创新的结构以及新颖的宽度弯曲振动模式工作的三叉臂热敏石英音叉谐振器不仅能够几乎充满一体化封装结构内部的柱壳状空间，最大地、最合理地使用了一体化封装结构23内部的空间，提高其响应速度，而且能够有效地利用了三叉臂石英音叉结构中各个叉臂在其主表面和厚度方向的力学平衡关系，更加合理地分布各个叉臂施加给基部区之应力，从而降低了基部区与各个叉臂连接处应力集中的可能，提高了耐机械振动、冲击能力，也抑制了各叉臂的谐振能量的漏泄，提升了q值，改善了温度传感器的分辨率。
本发明利用晶体光学冷加工、光刻和各向异性刻蚀法或离子束刻蚀、激光加工等工艺手段制作三叉臂热敏石英音叉谐振器，其叉臂长度方向是石英晶体的机械轴y’方向，叉臂宽度方向是石英晶体的电轴x方向，叉臂厚度方向是石英晶体的光轴z’方向；通过设置石英音叉三叉臂的参数（臂长l、臂宽w、臂厚t和各个叉臂之间的间隔g）、激励电极的结构和参数值，提高三叉臂热敏石英音叉谐振器的压电激励效率，降低损耗，减少其串联等效电阻值，增加三叉臂热敏石英音叉谐振器的q值，同时也改善了音叉温度传感器的精度、机械强度和响应速度；并利用光刻和各向异性刻蚀法和离子束加工法打孔、开槽、掏空等手段，降低三叉臂热敏石英音叉谐振器的视在物理密度，减少等效质量，进一步改善响应速度。
如图1所示，本发明的三叉臂热敏石英音叉谐振器1是一种采用框形组合梁209的修正型三叉臂石英音叉结构，它由位于三叉臂热敏石英音叉谐振器1外侧边缘的叉臂一201和叉臂二202、框形组合梁209、位于中央的单叉臂203以及基部区210组成；
所述的外侧边缘的叉臂一201和叉臂二202与位于中央的单叉臂203皆从基部区210沿石英晶轴y′的正向伸出，其叉臂长度方向是石英晶体的机械轴y’方向，叉臂宽度方向是石英晶体的电轴x方向，叉臂厚度方向是石英晶体的光轴z’方向；
叉臂一201的宽度w1和叉臂二202的宽度w2相等，而位于中央的单叉臂203的宽度w0等于位于外侧的叉臂一201宽度w1之1.6～2.2倍，
框形组合梁209位于外侧边缘的叉臂一201和叉臂二202的顶部，与叉臂一201和叉臂二202是一体结构，框形组合梁209的宽度等于外侧的叉臂一201宽度w1的0.4～1倍；
位于中央的单叉臂203的宽度w0与其厚度t之比应小于5；
叉臂一201、叉臂二202、位于中央的单叉臂203、框形组合梁209和音叉基部区210的厚度尺寸相同；叉臂一201长度l1和叉臂二202的叉臂长度l2相等(l1=l2)，位于中央的单叉臂203的叉臂长度l3小于叉臂一201长度l1；
位于外侧的叉臂一201的金属激励电极宽度尺寸和长度尺寸皆与叉臂二202的金属激励电极宽度和长度尺寸相等，而位于中央的单叉臂203的金属激励电极宽度等于位于外侧的叉臂一201的金属激励电极宽度尺寸的1.5～2.0倍，其金属激励电极的长度等于叉臂一201金属激励电极的0.4～0.8倍；
设叉臂一201的内边缘至位于中央的单叉臂203之相邻边缘的间距为g1，而位于中央的单叉臂203之另一边缘与叉臂二202的相邻边缘的间距为g2，并且g1=g2=g，则t与g之比t/g=1.2～10；
本发明的框形组合梁209采用实心结构，根据材料力学的知识可知，本发明的框形组合梁209能够大幅度地增加三叉臂石英音叉热敏谐振器1的机械强度，改善了它的各个叉臂振动的平衡性。
为了使三叉臂热敏石英音叉谐振器1具有高机械强度的同时，还能够具有快响应速度，本发明的框形组合梁209也能够采用空心结构，即框形组合梁209呈“回”字形，其中间区域已被加工成盲槽或通透槽，但保留框形组合梁209的周边边框，从而减少其物理质量，改善其响应速度。
当在各个叉臂外加适宜的激励电压时，叉臂一201、叉臂二202和单叉臂203能够各自在三叉臂热敏石英音叉谐振器1之晶片的法线方向上分别进行面弯曲（即宽度弯曲）振动。叉臂一201和叉臂二202的弯曲振动是同相的，而中央的单叉臂203的弯曲振动与叉臂一201、叉臂二202的弯曲振动却是异相的。
显然，本发明能够最大地充满一体化封装结构内部的柱壳状空间，并且又采用下述的措施，极大地降低三叉臂热敏石英音叉谐振器的等效质量，从而不仅没有降低其机械强度，而且在改善了响应速度的同时提高了其压电激励效率，减少了其串联等效电阻值，提高了三叉臂热敏石英音叉谐振器的q值。
以前有人，例如林江的中国专利cn201314848y，通过在热敏石英音叉谐振器叉臂上加工矩形的盲型沟槽或通透型沟槽的措施提高响应速度，其缺点是矩形盲型沟槽或通透型沟槽通常被清除的石英材料的表面面积约占石英叉臂材料表面面积的50％～70％，并且残留的沟槽侧壁很单薄，因此矩形的盲型沟槽或通透型沟槽之热敏石英音叉谐振器叉臂容易产生应力集中现象，特别是当该传感器置于运动体中受到加速度作用时，往往将导致两叉臂与基部区的交界处附近或矩形通孔、缺口附近的叉臂出现裂纹，甚至断裂损坏。
为了同时获得高机械强度和耐机械振动、抗冲击工作能力、快响应速度，
大的激励效率，高q值，本发明并没有制作矩形形状的盲型沟槽或通透型沟槽，而是在石英音叉最优化的外形尺寸的条件下，通过晶体光学冷加工、光刻和各向异性刻蚀或离子束刻蚀、激光加工等工艺手段，在叉臂一201、叉臂二202和位于中央的单叉臂203的每枚叉臂之前表面和后表面上，分别沿着叉臂长度方向的中心线制作了n条无直角弯曲的曲线形盲型沟槽，其中n是正整数，n≥1。
所述的无直角弯曲的曲线形盲型沟槽是s状、0字形、3字形、8字形、e字形、p字形、c字形、u字形、正弦、余弦形盲型沟槽之中的一种、两种以及其中两种以上的组合，并且每枚叉臂前表面和后表面的s状、3字形、8字形、e字形、p字形、b字形、c字形、正弦、余弦形中的一种、两种以及其中两种以上的组合的盲型沟槽关于各自所在叉臂的厚度方向的中心面是轴对称的。
如图1和图2所示，所述的无直角弯曲的曲线形盲型沟槽一15、盲型沟槽二16、盲型沟槽三17、盲型沟槽四18、盲型沟槽五19和盲型沟槽六20是s状、0字形、3字形、8字形、e字形、p字形、c字形、u字形、正弦、余弦形盲型沟槽之中的一种、两种以及其中两种以上组合的n条无直角弯曲的曲线形盲型沟槽，其中n是正整数，n≥1：
当n=1时，则所述的盲型沟槽曲线的中心轴与所在叉臂表面之长度方向的中心线重合；
当n=3、5、7等奇数时，则其中一条盲型沟槽曲线的中心轴与所在叉臂表面之长度方向的中心线重合，而其他条盲型沟槽曲线均匀地分布在所在叉臂表面之长度方向的中心线的两侧，并且其中一侧的各个盲型沟槽曲线的中心轴与另一侧的各个盲型沟槽曲线的中心轴关于其所在叉臂表面的长度方向的中心线呈轴对称状态；
当n=2、4、6等偶数时，则盲型沟槽曲线皆均匀地分布在其叉臂表面长度方向的中心线的两侧，并且其中一侧的各个盲型沟槽曲线的中心轴与另一侧的各个盲型沟槽曲线的中心轴关于其所在表面叉臂的长度方向的中心线呈轴对称状态。
此外，所述的盲型沟槽之横断面形状为u字形或v字形，并且利用射频溅射、金属蒸发等工艺在各个盲型沟槽内的周围四壁以及底表面制作了金属薄膜电极，并使该金属薄膜电极与谐振式石英音叉温度传感器之表面激励电极依次连接。
该措施不仅能够降低热敏石英音叉的每个叉臂的视在物理密度，减少了三叉臂石英音叉热敏谐振器的质量，改善其响应速度，而且还可以提升其激励效率，增大q值，提高机械强度，增大其耐机械振动、冲击能力，达到一石二鸟之功效。
图2示意地给出沿图1中a-a线的具有无直角弯曲曲线形盲型沟槽的叉臂剖视图及其工作机制。在叉臂二202的表面设置有激励电极一204a、激励电极三204g、激励电极二204b、激励电极四204h、激励电极十三204x、激励电极十四204y、无直角弯曲的曲线形盲型沟槽三17、无直角弯曲的曲线形盲型沟槽四18；在叉臂一201的表面有激励电极五204e、激励电极七204k、激励电极六204f、激励电极八204l、激励电极十五204u、激励电极十六204、无直角弯曲的曲线形盲型沟槽一15、无直角弯曲的曲线形盲型沟槽二16；在位于中央的单叉臂203的表面有激励电极九204c、激励电极十一204i、激励电极十204d、激励电极十二204j、激励电极十七204w、激励电极十八204m、无直角弯曲的曲线形盲型沟槽五19、无直角弯曲的曲线形盲型沟槽六20。
所述的激励电极四204h、激励电极二204b以及与位于无直角弯曲的曲线形盲型沟槽18内的沟槽电极205b在电学上相互连接的激励电极十四204y分别设置在叉臂二202的后表面层上；激励电极三204g、激励电极一204a以及与位于无直角弯曲的曲线形盲型沟槽17内的沟槽电极205a在电学上相互连接的激励电极十三204x分别设置在叉臂二202的前表面层上。
所述的激励电极八204l、激励电极六204f以及与位于无直角弯曲的曲线形盲型沟槽16内的沟槽电极205v在电学上相互连接的激励电极十六204分别设置在叉臂一201的后表面层上；激励电极七204k、激励电极五204e以及与位于无直角弯曲的曲线形盲型沟槽15内的沟槽电极205u在电学上相互连接的激励电极十五204u分别设置在叉臂一201的前表面层上。
所述的激励电极十二204j、激励电极十204d以及与位于无直角弯曲的曲线形盲型沟槽20内的沟槽电极205d在电学上相互连接的激励电极十八204m分别设置在位于中央的单叉臂203的后表面层上；激励电极十一204i、激励电极九204c以及与位于无直角弯曲的曲线形盲型沟槽19内的沟槽电极205c在电学上相互连接的激励电极十七204w分别设置在位于中央的单叉臂203的前表面层上。
如果在采用框形组合梁209的修正型三叉臂石英音叉的两边缘叉臂201、叉臂202与位于中央的单叉臂203的各激励电极分别施加适宜的交变电压，那么在某一时刻的各激励电极的极性如图2所示。其符号“ ”代表极性为“正”，其符号“-”代表极性为“负”，而在另一时刻其各激励电极的极性可能相反。各正、负电极之间的箭头分别代表在该一时刻的电力线方向。显然，根据压电效应可知，如果当其上表面层发生拉伸形变时，那么其下表面层发生压缩形变，由于三叉臂热敏石英音叉谐振器1边缘外侧的一体化两叉臂---叉臂一201和叉臂二202与中央的单叉臂203的弹性常数相等，并且它们的物理尺寸满足上述要求，从而惯性质量相等，因此倘若交替地施加方向相反的电压，则就会形成宽度弯曲（亦称作“面弯曲”）振动，并且外侧两叉臂和中央的单叉臂的振动频率和振幅相同，持有的能量也相等，显然外侧两叉臂和中央的单叉臂皆能够稳定地振动，并且两外侧叉臂与中央的单叉臂的宽度弯曲振动之相位相反。
有益效果
本发明没有采用常规的二叉臂石英音叉结构以及惯用的厚度弯曲振动模式工作的石英音叉热敏谐振器；而是采用三叉臂石英音叉的创新修正式结构以及新颖的宽度弯曲振动模式工作。它的各个叉臂的振动方向不是与音叉主表面（即厚度方向）处于同一平面内，而是与音叉主表面垂直，即在音叉主表面法线方向上振动，而位于音叉外侧的叉臂一201和叉臂二202的振动相位相同，位于中央的单叉臂203的振动方向也与音叉主表面垂直，但是却与位于边缘外侧的叉臂一201和叉臂二202的振动相位相反。显然，其有益效果如下：
采用创新的三叉臂石英音叉的修正式结构以及新颖的宽度弯曲（亦称作“面弯曲”）振动模式工作的三叉臂热敏石英音叉谐振器不仅能够几乎充满一体化封装结构内部的柱壳状空间，最大地、最合理地使用了一体化封装结构，提高其响应速度，而且能够提高其机械强度，改善耐机械振动和抗冲击工作能力。由于采用三叉臂石英音叉谐振器的横向（宽度）尺寸已经很大，已经不能再使用常规的厚度弯曲振动模式，否则，三叉臂石英音叉谐振器的横向（宽度）尺寸与弯曲振动振幅之和太大，将触碰锌白铜管帽，导致热敏音叉谐振器不能正常工作。因为三叉臂石英音叉晶片之法线方向的管帽内之空间却比较宽松，所以只有采用面弯曲（宽度弯曲）振动模式，使其弯曲振动的方向与晶片垂直，才能最充分地、最合理地利用其柱壳状空间。
该修正型三叉臂热敏石英音叉谐振器的谐振频率不随着叉臂宽度w变化，其谐振频率f仅是叉臂长度l的平方和叉臂厚度t的函数,其工作模式是宽度弯曲（亦称作“面弯曲”）振动。因此，本发明使得叉臂常规加工法中对宽度尺寸的苛刻精加工要求转变为对叉臂厚度加工的普通要求。显然，能够利用目前成熟的石英晶片厚度加工工艺实现常规设计难以实现的高等级谐振式石英音叉温度传感器技术指标，不仅提高了产品品质，而且大大地降低了生产成本。
根据材料力学的知识可知，本发明的框形组合梁209能够大幅度地增加三叉臂石英音叉热敏谐振器1的机械强度，改善了它的各个叉臂振动的平衡性。
本发明的面弯曲（宽度弯曲）振动模式工作的三叉臂石英音叉谐振器通过增加音叉激励电极工作区的面积以及在三叉臂的前表面和后表面沿着叉臂长度方向的中心线分别制作了n条无直角弯曲的曲线形盲型沟槽（其中n是正整数，n≥1）。无直角弯曲的曲线形盲型沟槽可以是s状、0字形、3字形、8字形、e字形、p字形、c字形、u字形、正弦、余弦形盲型沟槽之中的一种、两种以及其中两种以上的组合的盲型沟槽，并且每枚叉臂上表面和下表面的s状、3字形、8字形、e字形、p字形、b字形、c字形、正弦、余弦形中的一种、两种以及其中两种以上的组合的盲型沟槽关于该叉臂的厚度方向的中心面是轴对称的。此外，采用射频溅射或金属蒸发等工艺在盲型沟槽内的周围四壁以及底表面制作金属薄膜电极，并使该金属薄膜电极与谐振式石英音叉温度传感器之表面激励电极连接，以便提高机械强度和改善激励效率，提高压电活力，增大q值，改善其重复性和稳定性，同时也改善了设计的自由度。达到一石二鸟之功效。特别需要强调的，各激励电极之间的电力线比较平直，因此根据逆压电效应可知，其弯曲振动模式强度高，而且寄生模式少。
采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器的体积颇小，与传统谐振式石英音叉温度传感器相比，其臂长可缩短10％～30％。石英音叉的基区高度的也有所降低，可是其串联等效电阻却明显减少，仅为传统谐振式石英音叉温度传感器的2／3左右。此外，其主模式——弯曲振动模式的频谱干净，没有出现明显的寄生振动模式。显然这将大幅度地减少了谐振能量的漏泄和寄生振动模式的干扰，显著地提升了谐振式温度传感器的q值（品质因数），改善了传感器的温度分辨率，提升了响应速度，扩展了温度工作范围和耐机械振动和抗冲击工作能力。实验表明，经受0～1000hz的振动和在x、y、z三方向80g冲击试验后，传感器特性几乎无变化，在导弹车、自动火炮、第三代坦克车上装载试验表明，性能优异，并且可以完全满足军品、井下石油检测、地震前兆监测等部门的例行试验要求。
附图说明
图1一种采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器的结构示意图；
图2沿图1中a-a线的具有无直角弯曲的曲线形盲型沟槽的叉臂电极之剖视及其工作机制的示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2说明本发明的具体实施方式。本实施方式所述的一种采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器10包括锌白铜合金管帽11、具有2枚镀金的可伐合金丝管脚13和玻璃粉缘绝缘体14的可伐合金管座12、由锌白铜合金管帽11与可伐合金管座12构成的一体化封装结构23以及安装在其内部的面弯曲（或称为宽度弯曲）振动模式工作的三叉臂热敏石英音叉谐振器1；以焊料7，把所述的2枚镀金的可伐合金丝管脚13分别与三叉臂热敏石英音叉谐振器1的汇流条电极一6、汇流条电极二8在电学上连接在一起，从而固定在一体化封装结构23内部，并担负了与外电路的电学连接任务。石英音叉热敏谐振器1的各叉臂在振动（工作）状态和静止（非工作）状态下皆不可能与一体化封装结构23物理接触。
三叉臂热敏石英音叉谐振器1的晶体切型是双转角xytl(115°)/（10°)切型。使用该石英晶体切型的目的是为了获得很高的温度分辨率、低寄生振动模式以及对工艺误差要求不苛刻。
如图1所示，本发明的三叉臂热敏石英音叉谐振器1是一种采用框形组合梁209的修正型三叉臂石英音叉结构，它由位于三叉臂热敏石英音叉谐振器1外侧边缘的叉臂一201和叉臂二202、位于中央的单叉臂203以及基部区210组成。
所述的外侧边缘的叉臂一201和叉臂二202与位于中央的单叉臂203皆从基部区210沿石英晶轴y′的正向伸出；其叉臂长度方向是石英晶体的机械轴y’方向，叉臂宽度方向是石英晶体的电轴x方向，叉臂厚度方向是石英晶体的光轴z’方向。
叉臂一201的宽度w1和叉臂二202的宽度w2相等，而位于中央的单叉臂203的宽度w0等于位于外侧的叉臂一201的宽度w1（或叉臂二202的宽度w2）之2.0倍，框形组合梁209的宽度等于外侧的叉臂一201(或叉臂二202宽度)的0.7倍，叉臂一201、叉臂二202、单叉臂203、框形组合梁209和音叉基部区210的厚度尺寸相同；叉臂一201长度l1和叉臂二202的叉臂长度l2相等(l1=l2)，单叉臂203的叉臂长度l3等于叉臂一201长度l1(或叉臂二202的叉臂长度l2)的0.9倍；位于中央的单叉臂203的金属激励电极宽度等于位于外侧的叉臂一201（或叉臂二202）的金属激励电极宽度尺寸的1.8倍，金属激励电极的长度等于叉臂一201（或叉臂二202）长度的0.8倍。位于中央的单叉臂203的宽度w0与其厚度t之比为2；
设叉臂一201内边缘至位于中央的单叉臂203相邻边缘的间距为g1，而位于中央的单叉臂203之另一边缘与叉臂二202相邻边缘的间距为g2，并且g1=g2=g，那么为了获得高机械强度，在实施方式一中，取t与g之比t/g=2，从而不仅能够提高激励效率，而且大幅度地提升了具有三叉臂石英音叉的高强度高精度快响应谐振式温度传感器机械强度和耐机械振动、冲击能力。
为了使三叉臂热敏石英音叉谐振器1具有高机械强度，并且工艺简单，成品率高，在具体实施方式一中，其框形组合梁209采用实心结构。
通过晶体冷加工、光刻和各向异性刻蚀法或离子束刻蚀、激光加工等工艺手段，在三叉臂的上表面和下表面沿着叉臂长度方向的中心线分别制作了n条无直角弯曲的曲线形盲型沟槽（其中n是正整数，n≥1，），例如：s状、0字形、3字形、8字形、e字形、p字形、c字形、u字形、正弦、余弦形等的盲型沟槽之中的s状，并且上表面和下表面的s状盲型沟槽关于各自叉臂的厚度方向的中心面是轴对称的。在本实施方式中，所述的盲型沟槽之横断面形状为u字形，并且采用射频溅射或金属蒸发等工艺在盲型沟槽的周围四壁以及底表面制作金属薄膜电极，并使该金属薄膜电极与谐振式石英音叉温度传感器之表面激励电极依次连接。
本实施方式中采用s状的盲型沟槽，叉臂一201和叉臂二202的s状的盲型沟槽皆为1枚，并且该盲型沟槽曲线的中心轴与叉臂长度方向的中心线重合；而位于中央的单叉臂203的s状的盲型沟槽为2枚，并且每条盲型沟槽曲线分布在叉臂长度方向的中心线的两侧，每条盲型沟槽曲线的中心轴皆关于所在叉臂的长度方向的中心面成轴对称状态。其具体的结构如下：
如图2所示，在叉臂二202的表面设置有激励电极一204a、激励电极三204g、激励电极二204b、激励电极四204h、激励电极十三204x、激励电极十四204y、无直角弯曲的曲线形盲型沟槽三17、无直角弯曲的曲线形盲型沟槽四18；在叉臂一201的表面有激励电极五204e、激励电极七204k、激励电极六204f、激励电极八204l、激励电极十五204u、激励电极十六204、无直角弯曲的曲线形盲型沟槽一15、无直角弯曲的曲线形盲型沟槽二16；在位于中央的单叉臂203的表面有激励电极九204c、激励电极十一204i、激励电极十204d、激励电极十二204j、激励电极十七204w、激励电极十八204m、无直角弯曲的曲线形盲型沟槽五19、无直角弯曲的曲线形盲型沟槽六20。
无直角弯曲的曲线形盲型沟槽三17是s状，无直角弯曲的曲线形盲型沟槽四18也是s状的，并且处于叉臂202前表面的s状的波浪形盲型沟槽三17与设置在叉臂202后表面的s状的波浪形盲型沟槽四18关于叉臂202厚度方向的中心面成轴对称状态。
无直角弯曲的曲线形盲型沟槽一15是s状，无直角弯曲的曲线形盲型沟槽二16也是s状的，并且处于叉臂201前表面的s状的波浪形盲型沟槽一15与设置在叉臂201后表面的s状的波浪形盲型沟槽二16关于叉臂201厚度方向的中心面成轴对称状态。
无直角弯曲的曲线形盲型沟槽五19是大致为8字形，无直角弯曲的曲线形盲型沟槽六20也是大致为8字形，并且处于叉臂203前表面的大致为8字形的盲型沟槽五19与设置在叉臂203后表面的大致为8字形的盲型沟槽六20关于叉臂203厚度方向的中心面成轴对称状态。
每枚s状的波浪形盲型沟槽以及大致为8字形的盲型沟槽五19、大致为8字形的盲型沟槽六20的断面都不是矩形，而是u字形，其加工深度取决于所处的表面位置：
对于处于后表面的沟槽，从后表面算起的深度为0.4t，
对于处于前表面的沟槽，从前表面算起的深度为0.4t。
此外，各枚s状的波浪形盲型沟槽之横所述的激励电极四204h、激励电极二204b以及与位于无直角弯曲的曲线形盲型沟槽18内的沟槽电极205b在电学上相互连接的激励电极十四204y分别设置在叉臂二202的后表面层上；激励电极三204g、激励电极一204a以及与位于无直角弯曲的曲线形盲型沟槽17内的沟槽电极205a在电学上相互连接的激励电极十三204x分别设置在叉臂二202的前表面层上。
所述的激励电极八204l、激励电极六204f以及与位于无直角弯曲的曲线形盲型沟槽16内的沟槽电极205v在电学上相互连接的激励电极十六204分别设置在叉臂一201的后表面层上；激励电极七204k、激励电极五204e以及与位于无直角弯曲的曲线形盲型沟槽15内的沟槽电极205u在电学上相互连接的激励电极十五204u分别设置在叉臂一201的前表面层上。
所述的激励电极十二204j、激励电极十204d以及与位于无直角弯曲的曲线形盲型沟槽20内的沟槽电极205d在电学上相互连接的激励电极十八204m分别设置在位于中央的单叉臂203的后表面层上；激励电极十一204i、激励电极九204c以及与位于无直角弯曲的曲线形盲型沟槽19内的沟槽电极205c在电学上相互连接的激励电极十七204w分别设置在位于中央的单叉臂203的前表面层上。
具体实施方式二：本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器的区别在于，所述框形组合梁209采用空心结构，即框形组合梁209呈“回”字形，其中间区域被开盲槽或掏空，但保留框形组合梁209周边之边框，以便减少物理质量，降低其平均密度。
具体实施方式三：本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器的区别在于，所述本实施方式中采用s状的盲型沟槽，叉臂一201和叉臂二202的s状的盲型沟槽皆为1枚，并且该曲线的中心轴与叉臂长度方向的中心线重合；而位于中央的单叉臂203的s状的盲型沟槽为3枚，并且其中1枚盲型沟槽曲线的中心轴与叉臂长度方向的中心线重合，另外2枚盲型沟槽曲线分布在叉臂长度方向的中心线的两侧，每枚盲型沟槽曲线的中心轴皆关于叉臂长度方向的中心线成轴对称状态。
具体实施方式四：本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器的区别在于，所述的三叉臂的上表面和下表面沿着叉臂长度方向的中心线分别制作的无直角弯曲的曲线形盲型沟槽是大致为8字形，并且各大致为8字形盲型沟槽之横断面是u字形。
具体实施方式五：本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器的区别在于，所述三叉臂的上表面和下表面沿着叉臂长度方向的中心线分别制作的无直角弯曲的曲线形盲型沟槽是u字形，并且各u字形盲型沟槽之横断面是v字形。
具体实施方式六：本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器的区别在于，所述三叉臂的上表面和下表面沿着叉臂长度方向的中心线分别制作的无直角弯曲的曲线形盲型沟槽是e字形，并且各e字形盲型沟槽之横断面是v字形。
1.采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器，它包括锌白铜合金管帽（11）、具有两枚镀金的可伐合金丝管脚（13）和玻璃粉缘绝缘体（14）的可伐合金管座（12）、由锌白铜合金管帽（11）与可伐合金管座（12）构成的一体化封装结构（23）以及安装在其内部的面弯曲振动模式工作的三叉臂热敏石英音叉谐振器（1）；以焊料（7）把所述的两枚镀金的可伐合金丝管脚（13）分别与三叉臂热敏石英音叉谐振器（1）的汇流条电极一（6）、汇流条电极二（8）在电学上连接在一起，固定在一体化封装结构（23）内部；三叉臂热敏石英音叉谐振器（1）的各枚叉臂在工作状态和非工作状态下皆不能与一体化封装结构（23）发生物理接触，其特征是：
所述的三叉臂热敏石英音叉谐振器（1）是一种采用框形组合梁（209）的修正型三叉臂石英音叉结构，它由位于三叉臂热敏石英音叉谐振器（1）外侧边缘的叉臂一（201）、叉臂二（202）、框形组合梁（209）、位于中央的单叉臂（203）以及基部区（210）组成；它的各个叉臂的振动方向不是与音叉主表面处于同一平面内，而是与音叉主表面垂直，即在音叉主表面法线方向上振动，其中位于音叉外侧边缘的叉臂一（201）和叉臂二（202）的振动是同相位，而位于中央的单叉臂（203）的振动方向也与音叉主表面垂直，但是却与位于边缘外侧的叉臂一（201）和叉臂二（202）的振动相位相反，其谐振频率f仅是叉臂长度l的平方和叉臂厚度t的函数；
所述的外侧边缘的叉臂一（201）和叉臂二（202）以及位于中央的单叉臂（203）皆从基部区（210）沿石英晶轴y′的正向伸出，其每枚叉臂的长度方向是石英晶体的机械轴y’方向，叉臂宽度方向是石英晶体的电轴x方向，叉臂厚度方向是石英晶体的光轴z’方向；
叉臂一（201）的宽度w1和叉臂二（202）的宽度w2相等，而位于中央的单叉臂（203）的宽度w0等于叉臂一（201）的宽度w1之1.6～2.2倍；
框形组合梁（209）位于外侧边缘的叉臂一（201）和叉臂二（202）的顶部，与叉臂一（201）和叉臂二（202）是一体的结构，框形组合梁（209）的宽度等于外侧的叉臂一（201）宽度w1的0.4～1倍；
叉臂一（201）、叉臂二（202）、位于中央的单叉臂（203）、框形组合梁（209）和音叉基部区（210）的厚度尺寸相同；位于中央的单叉臂（203）的宽度w0与其厚度t之比小于5；
叉臂一（201）的长度l1和叉臂二（202）的长度l2相等，位于中央的单叉臂（203）的长度l3小于叉臂一（201）的长度l1；
位于外侧的叉臂一（201）的金属激励电极之宽度尺寸和长度尺寸与叉臂二（202）的金属激励电极之宽度和长度尺寸相等，而位于中央的单叉臂（203）的金属激励电极宽度等于叉臂一（201）的金属激励电极宽度尺寸的1.5～2.0倍，其金属激励电极的长度等于叉臂一（201）金属激励电极长度的0.4～0.8倍；
叉臂一（201）的内边缘至位于中央的单叉臂（203）之相邻边缘的间距为g1，而位于中央的单叉臂（203）之另一边缘与叉臂二（202）的相邻边缘的间距为g2，并且g1=g2=g，则其厚度t与g之比t/g=1.2～10；
在叉臂一（201）、叉臂二（202）和位于中央的单叉臂（203）的每枚叉臂之前表面和后表面，分别沿着其叉臂长度方向的中心线制作了n条无直角弯曲的曲线形盲型沟槽，其中n是正整数，n≥1；
位于叉臂一（201）前表面和后表面的无直角弯曲的曲线形盲型沟槽分别是盲型沟槽一（15）和盲型沟槽二（16）；位于叉臂二（202）前表面和后表面的无直角弯曲的曲线形盲型沟槽分别是盲型沟槽三（17）和盲型沟槽四（18）；位于中央的单叉臂（203）前表面和后表面的无直角弯曲的曲线形盲型沟槽分别是盲型沟槽五（19）和盲型沟槽六（20）。
2.根据权利要求1所述的采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器，其特征在于，所述的三叉臂热敏石英音叉谐振器1的晶体切型是双转角xytl(115°±5)/（10°±10°)切型。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器，其特征在于，所述的框形组合梁（209）采用空心结构，即框形组合梁（209）呈“回”字形，其中间区域已被加工成盲槽或通透槽，但保留框形组合梁（209）的周边边框。
4.根据权利要求1和权利要求2所述的采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器，其特征在于，所述的框形组合梁（209）采用实心结构。
5.根据权利要求1、2、3或4所述的采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器，其特征在于，所述的n条无直角弯曲的曲线形盲型沟槽，即每枚叉臂前、后表面的s状、3字形、8字形、e字形、p字形、b字形、c字形、正弦、余弦形的盲型沟槽之中的一种、两种以及其中两种以上的组合的盲型沟槽，关于各自所在叉臂前、后表面的中心面是轴对称的。
6.根据权利要求1、2、3或4、5所述的采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器，其特征在于，所述的无直角弯曲的曲线形盲型沟槽一（15）、盲型沟槽二（16）、盲型沟槽三（17）、盲型沟槽四（18）、盲型沟槽五（19）和盲型沟槽六（20）是s状、0字形、3字形、8字形、e字形、p字形、c字形、u字形、正弦、余弦形盲型沟槽之中的一种、两种以及其中两种以上组合的n条无直角弯曲的曲线形盲型沟槽，其中n是正整数，n≥1；
当n=1时，则所述的盲型沟槽曲线的中心轴与所在叉臂表面之长度方向的中心线重合；当n=3、5、7等奇数时，则其中一条盲型沟槽曲线的中心轴与所在叉臂表面之长度方向的中心线重合，而其他条盲型沟槽曲线均匀地分布在所在叉臂表面之长度方向的中心线的两侧，并且其中一侧的各个盲型沟槽曲线的中心轴与另一侧的各个盲型沟槽曲线的中心轴关于其所在叉臂表面的长度方向的中心线呈轴对称状态；当n=2、4、6等偶数时，则盲型沟槽曲线皆均匀地分布在其叉臂表面长度方向的中心线的两侧，并且其中一侧的各个盲型沟槽曲线的中心轴与另一侧的各个盲型沟槽曲线的中心轴关于其所在表面叉臂的长度方向的中心线呈轴对称状态。
7.根据权利要求1、2、3或4、5、6所述的采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器，其特征在于，所述的n条无直角弯曲的曲线形盲型沟槽，其横断面形状为u字形，并且采用射频溅射、金属蒸发工艺在盲型沟槽内的周围四壁以及底表面制作金属薄膜电极，并使该金属薄膜电极与谐振式石英音叉温度传感器之表面激励电极依次连接。
8.根据权利要求1、2、3或4、5、6所述的采用修正型三叉臂音叉的高强度快响应石英温度传感器，其特征在于，所述的n条无直角弯曲的曲线形盲型沟槽，其横断面形状为v字形，并且采用射频溅射、金属蒸发工艺在盲型沟槽内的周围四壁以及底表面制作金属薄膜电极，并使该金属薄膜电极与谐振式石英音叉温度传感器之表面激励电极依次连接。
技术总结