美國FOX晶振是全球領(lǐng)先的石英晶體頻率控制元件生產(chǎn)制造商,成立于1979年,是一家小型的家族企業(yè),至今已有50多年時間.FOX晶振集團(tuán)開創(chuàng)了石英晶體,時鐘振蕩器,有源晶振的微小型技術(shù),給頻率控制行業(yè)帶來了革命性的變化.

?？怂咕д?/a>集團(tuán)致力于為用戶提供高品質(zhì)石英晶體和有源晶體振蕩器,在世界上占有重要地位.自那時起,該公司已發(fā)展成為美國電子市場上高精度,高可靠性頻率控制產(chǎn)品的領(lǐng)先供應(yīng)商,全球擁有10,000多家客戶.

石英晶振是一種用于穩(wěn)定頻率和選擇頻率的電子元件,已被廣泛地使用在無線電話、載波通訊、廣播電視、衛(wèi)星通訊、儀器儀表等各種電子設(shè)備中.那么晶振通常都有哪些封裝尺寸類型呢？
晶振一般可以分為插件晶振（Dip）和貼片晶振（SMD）.

貼片型是按尺寸大小和腳位來分類：例如7050晶振（7.0*5.0）、6035晶振（6.0*3.5）、5032晶振（5.0*3.2)、3225晶振（3.2*2.5）、2520晶振（2.5*2.0）等.從不同的應(yīng)用性能來分,有源晶振又可分為普通晶振（OSC）、溫補(bǔ)晶振（TCXO）、壓控晶振（VCXO）、恒溫晶振（OCXO）等.

   TXC晶振是臺灣知名頻率元件生產(chǎn)制造商,擁有先進(jìn)的儀器設(shè)備以及生產(chǎn)理念.明白市場所需,與時俱進(jìn)所生產(chǎn)石英晶振,貼片晶振,石英晶體振蕩器具有超小,超薄,精度穩(wěn)定,低損耗等優(yōu)勢特點(diǎn).

    臺灣TXC晶振中文名稱晶技晶振,是國內(nèi)廣大用戶指定晶振品牌.TXC生產(chǎn)石英晶振,有源晶振,具有1.8V~5V電壓供應(yīng)不同領(lǐng)域用戶選擇.TXC石英晶體高超的生產(chǎn)技術(shù),一流的服務(wù),優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)是對客戶最有力的保障.

通過調(diào)節(jié)激光器的三個激光參數(shù),來改變石英晶振頻率微調(diào)量,從而在不剝落晶振晶片表面電極層的前提下,達(dá)到最大頻率微調(diào)量。三個參數(shù)分別為:電流,頻率和Q脈沖寬度。

電流與石英晶振微調(diào)量之間的關(guān)系

固定頻率為5KIHz,Q脈沖寬度為50微秒,改變電流從10安到19安來測頻率微調(diào)量。

運(yùn)用不同的工藝方法,對石英晶振進(jìn)行頻率微調(diào),以不同參數(shù)的激光產(chǎn)生不同的微調(diào)量和微調(diào)效果。通過拍攝SEM照片,來研究在不同的激光參數(shù)和條件下,激光對于石英晶振表面及內(nèi)部的改變和損傷情況。共分五種情況對激光刻蝕損傷進(jìn)行研究。

1.直接刻蝕石英晶振片表面。

2.以大電流刻蝕石英晶振表面銀電極層,使其產(chǎn)生肉眼可見的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計(jì)無法讀出刻蝕后的頻率值。

3.以適當(dāng)?shù)募す鈪?shù)刻蝕石英晶振表面銀電極層,并無明顯的刻蝕痕跡,頻率微調(diào)量在50ppm,其他電性能參數(shù)改變量均小。

4.以刻蝕圖形的方法對石英晶振表面銀電極層進(jìn)行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層外層圓環(huán),頻率微調(diào)量達(dá)l000pm。

5.以刻蝕圖形的方法對石英晶振表面銀電極層進(jìn)行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層半邊圓,頻率微調(diào)量達(dá)2300ppm。

以下為石英晶振實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.直接刻蝕石英晶振片表面

在電流為11A,激光頻率為10KHLz,Q脈沖寬度為10s的條件下,直接對石英晶振片進(jìn)行環(huán)狀刻蝕?？涛g示意圖如圖4.7所示。

圖中虛線所示為激光刻蝕的軌跡,可見激光全部作用在石英晶振片本身,而不是其表面的銀電極層上。經(jīng)刻蝕,貼片晶振,石英晶振片的頻率從10.0268376MHz,上升為10.0268780MHz,頻率微調(diào)量為404pm。這樣做的目的,是為了觀察當(dāng)激光直接作用于晶片本身的時候,會對晶片產(chǎn)生怎樣的影響。

通過電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.8所示。

從圖中可見,被激光刻蝕后的區(qū)域,石英片表面平整,形貌良好,并未對下面石英晶體產(chǎn)生損傷。部分晶體被激光刻蝕掉后由于大氣中分子的散射作用,重新落回到晶片表面,覆蓋在原晶片上。

2.以大電流刻蝕貼片晶振,石英晶振表面銀電極層,使其產(chǎn)生肉眼可見的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計(jì)無法讀出刻蝕后的頻率值。

在電流為14A,激光頻率為10KHz,Q脈沖寬度為10ys的條件下,對石英晶振片表面銀電極層進(jìn)行刻蝕。刻蝕圖形及示意圖分別如圖4.9、4.10所示。

在14A的激光電流刻蝕下,晶片表面刻蝕區(qū)域的電極層被損壞,出現(xiàn)了肉眼可見的較大范圍內(nèi)明顯剝落痕跡。至使頻率計(jì)無法讀出其諧振頻率,石英晶片停振。

通過電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.11所示。

如圖所示,圖中左半邊銀電極層清晰可見,均勻的覆蓋在石英表面。而右半邊銀電極層被激光刻蝕剝落,被剝落處銀電極層與貼片晶振,石英晶振混在一起,界線模糊。并且剝落已經(jīng)損傷到石英晶振本身。損傷延伸至2000m深度。

晶振是為電路提供基準(zhǔn)頻率信號源的一種頻率元件,在前面的文章中億金電子有提到過關(guān)于石英晶振晶片的選擇,晶振刻蝕的影響,晶振片的生產(chǎn)材料等信息,那么下面要給大家說的是利用石英晶振作為微力傳感器的分析講解.

在非接觸測量模式中,微懸臂是要靠壓電驅(qū)動器進(jìn)行AC驅(qū)動來做小幅的振動,隨著其進(jìn)一步的發(fā)展,人們把目光開始轉(zhuǎn)向壓電材料,當(dāng)石英等材料受到應(yīng)變時會產(chǎn)生電荷,而當(dāng)在這些材料上施加電場時,其幾何尺寸就會發(fā)生變化,這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)I18。1990年IBM公司GrutterP等提出了可以將微懸臂粘附在雙晶片之間以產(chǎn)生穩(wěn)定性很好的高頻振蕩信號,從而對由于力梯度的作用下懸臂的形變信號進(jìn)行頻率調(diào)制,通過解調(diào)就可以獲得表面形貌,研究顯示了在固定帶寬的情況下,靈敏度可提高2倍以上。

1991年TR.Albrech等采用在片層壓電材料表面刻蝕出針尖來取代傳統(tǒng)的用si材料做成的微懸臂201。由于壓電材料能將機(jī)械振動特性的變化直接轉(zhuǎn)化為電荷變化,因此不需要激光測微儀,但用其制作的微懸臂品質(zhì)因數(shù)Q值(約200)較低,使得分辨率有待提高,而且在片層壓電材料表面刻蝕出針尖的成本太高。因此必須使用一種高品質(zhì)因數(shù)的壓電材料的傳感器以提高信噪比。

使用針式傳感器的想法在1988年就產(chǎn)生了,當(dāng)時因?yàn)闇y量集成電路的需要,研究人員曾經(jīng)試圖模仿傳統(tǒng)的輪廓儀,將一個針尖制作成圓弧半徑可達(dá)nm級,這樣就可以突破一些物理極限,如光的波長,以獲得大約相當(dāng)于光波長的百分之一的測量精度。但是這需要解決兩個問題:針尖的制備和測量相互作用力。1988年,P.Gunther等人探討了使用石英音叉晶振作為傳感器的可能性，將音叉的一個角作為針尖逼近樣品表面,音叉的幅值和頻率會隨著逼近距離的變化而變化,證明了使用石英晶振作為傳感器,是一個很有希望的發(fā)展方向。1993年,K.BARTZKE等研制出了第一臺這樣的針式傳感器并將它用于AFM的測量中,其針尖的制備使用了機(jī)械蝕刻金剛石的方法為了檢測針尖和樣品之間的接觸,針尖被固定在一個高靈敏度的1MHEZ桿狀晶振上,晶振的諧振參數(shù)的變化可以被相應(yīng)的電路檢測出來。

1995年, A Michels等報道了將晶振作為掃描近場聲顯微鏡的探針的研究。將1MHZ桿狀晶振的尖角作為針尖以45°角與樣品逼近,將晶振受到的阻尼信號作為測量距離的信號得到物體表面的形貌圖。其垂直分辨率達(dá)到了50nm,水平分辨率達(dá)到了200nm,是介于傳統(tǒng)的輪廓儀和SFM之間的一種儀器24。隨著研究的進(jìn)一步深入,研究者開始探討將針式傳感器作為其他類型顯微鏡的應(yīng)用。M. Todorovic等在1998年報道了一種使用音叉作為傳感器的磁力顯微鏡。在石英音叉的一支腳上粘附一個經(jīng)過磁化的非常細(xì)小的針尖,即可構(gòu)成磁力傳感器。石英音叉晶振的腳只有2mm長,200um厚,100um寬,彈性常數(shù)只有200N/m,只有傳統(tǒng)的AFM儀器的十分之-。針尖是電化學(xué)腐蝕鎳絲的方法制作的,針尖的安裝保證了音叉的彈性常數(shù)和Q值不發(fā)生大的變化。

國內(nèi)這一領(lǐng)域的工作開展的比較晚,1997年,計(jì)量科學(xué)研究院與西德的合作項(xiàng)目中首次使用了這一技術(shù),之后我們實(shí)驗(yàn)室也在這一領(lǐng)域進(jìn)行了跟蹤研究,并獲得了初步的結(jié)果。

從上述發(fā)展歷程可以看出,使用貼片晶振,石英晶振作為針式傳感器,到目前其測試精度并沒有達(dá)到很高,但是由于其成本低廉,易于獲得,性能穩(wěn)定,在測試方法上具有獨(dú)到的優(yōu)勢,因此是一個很有前途的發(fā)展方向,隨著研究的進(jìn)一步深入,它的測量精度有可能進(jìn)一步提高,這對于工業(yè)界和實(shí)驗(yàn)室來說,是一個性價比很高的測量儀器,對于科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用都具有很大的價值。

石英晶振是一種頻率元件，為電路提供基準(zhǔn)信號頻率。隨著智能科技的發(fā)展，晶振的發(fā)展腳步也在不斷加快。關(guān)于晶振的作用和晶振分類，以及石英晶振在不同產(chǎn)品中的應(yīng)用原理大家可以到前面的文章中查看。下面億金電子要給大家介紹的是石英晶振參數(shù)的變化可以被相應(yīng)的電路檢測出來，因此我們做了以下分析。

1995年, A Michels等報道了將晶振作為掃描近場聲顯微鏡的探針的研究。將1MHZ桿狀晶振的尖角作為針尖以45°角與樣品逼近,將石英晶振受到的阻尼信號作為測量距離的信號得到物體表面的形貌圖。其垂直分辨率達(dá)到了50nm,水平分辨率達(dá)到了200nm,是介于傳統(tǒng)的輪廓儀和SFM之間的一種儀器24。

隨著研究的進(jìn)一步深入,研究者開始探討將針式傳感器作為其他類型顯微鏡的應(yīng)用。M. Todorovic等在1998年報道了一種使用音叉作為傳感器的磁力顯微鏡。在音叉表晶的一支腳上粘附一個經(jīng)過磁化的非常細(xì)小的針尖,即可構(gòu)成磁力傳感器。石英音叉的腳只有2mm長,200um厚,100um寬,彈性常數(shù)只有200N/m,只有傳統(tǒng)的AFM儀器的十分之-。針尖是電化學(xué)腐蝕鎳絲的方法制作的,針尖的安裝保證了音叉的彈性常數(shù)和Q值不發(fā)生大的變化。

國內(nèi)這一領(lǐng)域的工作開展的比較晚,1997年,計(jì)量科學(xué)研究院與西德的合作項(xiàng)目中首次使用了這一技術(shù),之后我們實(shí)驗(yàn)室也在這一領(lǐng)域進(jìn)行了跟蹤研究,并獲得了初步的結(jié)果。

從上述發(fā)展歷程可以看出,使用石英晶振,貼片晶振作為針式傳感器,到目前其測試精度并沒有達(dá)到很高,但是由于其成本低廉,易于獲得,性能穩(wěn)定,在測試方法上具有獨(dú)到的優(yōu)勢,因此是一個很有前途的發(fā)展方向,隨著研究的進(jìn)一步深入,它的測量精度有可能進(jìn)一步提高,這對于工業(yè)界和實(shí)驗(yàn)室來說,是一個性價比很高的測量儀器,對于科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用都具有很大的價值。

從上述可知,現(xiàn)有的基于微懸臂的掃描磁力顯微鏡存在種種不足。鑒于此, 本文想研制出一種采用新型傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊的掃描磁力顯微裝置,以達(dá)到高的測量穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和具有納米尺度的測量分辨率。由此,該儀器的研究成功,可在下面幾個方面起到促進(jìn)作用。

首先它可用于磁記錄工業(yè)中的質(zhì)量檢驗(yàn)控制中。例如對光盤制造進(jìn)行超微觀檢測。另外對磁記錄位的大小及分布等進(jìn)行高分辨率的檢測。再次,可用于對生物樣品磁觸覺細(xì)菌內(nèi)亞微米磁疇顆粒進(jìn)行直接觀察及對單個細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)磁矩的定量研究。

采用離子刻蝕進(jìn)行晶振頻率微調(diào),在刻蝕后晶振的頻率會發(fā)生偏移。這會使頻率調(diào)整精度低于真空蒸著頻率調(diào)整法。如圖4-4所示,離子刻蝕后石英晶振頻率會產(chǎn)生偏移,縱軸表示與目標(biāo)頻率的偏差,單位是pm。在刻蝕前,石英晶振的頻率相對于目標(biāo)頻率是負(fù)的。在調(diào)整時,一邊用測頻系統(tǒng)測定石英晶振的頻率,一邊用離子束照射石英晶振的電極膜, 電極膜被刻蝕,頻率隨之升高。當(dāng)刻蝕停止后,會出現(xiàn)頻率下降的現(xiàn)象?？涛g剛停止的幾秒內(nèi),頻率下降較快,隨后下降會漸漸變緩,最后趨于穩(wěn)定,不再變化。這種離子刻蝕后頻率偏移的原因比較復(fù)雜,其原因之一是因?yàn)殡x子刻蝕時對晶振晶片產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其理論依據(jù)比較深奧,在此不做討論。本文主要通過實(shí)驗(yàn),找出頻率偏移的規(guī)律,對石英晶振進(jìn)行離子刻蝕加工時設(shè)定合適的參數(shù),使得這種偏移在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生盡可能小的影響。

現(xiàn)在用AT方向切割的石英晶片做成的石英晶振進(jìn)行實(shí)驗(yàn),用離子束對晶片進(jìn)行刻蝕,統(tǒng)計(jì)出蝕刻速度與頻率偏移的聯(lián)系。

實(shí)驗(yàn)對象:A品種的石英晶振使用的晶片是長方形,尺寸為長1996u±3u,寬1276u±2a,晶片厚度為62.04u。目標(biāo)頻率為26.998380MHz。晶片先用昭和真空生產(chǎn)的磁控濺射鍍膜機(jī)SPH-2500進(jìn)行鍍膜,為了提高鍍層密著性,先鍍少量的鉻膜, 然后按頻率要求鍍銀膜,總膜厚約為1.73u。使得在離子束刻蝕加工前的頻率與目標(biāo)頻率的差為2000ppm~300ppm之間。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:離子束刻蝕頻率微調(diào)機(jī)使用昭和真空生產(chǎn)的SFE-6430T。離子槍的加速鉬片到晶片表面的距離為25mm,氬氣流量為0.35SCCM。

首先,進(jìn)行較大刻蝕速度對石英晶振,貼片晶振進(jìn)行刻蝕的實(shí)驗(yàn),測得偏移量。如表4和圖4÷5所示當(dāng)刻蝕速度在1000ppm/s到2000ppm/s的范圍,離子刻蝕后的偏移量隨著刻蝕速度的增加而有很大的升高。如當(dāng)刻蝕量為2000ppm時,頻率偏移量山刻蝕速度為1000ppm/s的35.8ppm快速增長到刻蝕速度為2000ppm/s的89.8ppm。當(dāng)刻蝕量為3000ppm時,頻率偏移量便會超過100pm。此外,從圖4-5中可以看出,在同一刻蝕速度下,刻蝕后的頻率偏移量還會隨刻蝕量的增加呈線性升高。

其次,進(jìn)行較低刻蝕速度對石英晶體,石英晶體諧振器進(jìn)行刻蝕的實(shí)驗(yàn),測得偏移量。如表4-2和圖4-6所示,與高速時的情況類似,刻蝕速度增加時,刻蝕后的偏移量也會隨之增加。并且,在同一刻蝕速度時,刻蝕后的偏移量也隨刻蝕量的增加而線性增大。從圖表中可以看出,刻蝕速度減小后,刻蝕后的偏移量也會減小很多。當(dāng)刻蝕速度減小到80ppm/s時,刻蝕量為200pm時,刻蝕后偏移量僅為2.5pm。如果進(jìn)一步控制刻蝕量,當(dāng)刻蝕量降到100ppm時,刻蝕后偏移量僅為0.2ppm,基本接近于0。因此在實(shí)際生產(chǎn)時,如果能將刻蝕速度控制到80pm/s,刻蝕量控制在100pm以下, 晶振的離子束刻蝕后的頻率偏差較大,且公差范圍較小,為了減少離子束刻蝕后頻率偏移產(chǎn)生的影響,提高產(chǎn)品的精度,可以采用3段加工模式,但是生產(chǎn)效率會有所降低)。

晶振離子刻蝕兩段加工模式如圖4-7所示,首先進(jìn)行H段加工,用高的刻蝕速度和大的刻蝕量,從加工前頻率開始加工,等加工到設(shè)定的中間目標(biāo)頻率后停止刻蝕,一段時間后,由于離子刻蝕后的晶振頻率偏移的影響,使頻率下降,回到L段加工前頻率。接著進(jìn)行L段加工,用低刻蝕速度和小刻蝕量,從L段加工前頻率開始加工,等加工到設(shè)定的最終目標(biāo)頻率后停止刻蝕,一段時間后,出于離子刻蝕后頻率偏移的影響, 使頻率下降,回到實(shí)際最終頻率,當(dāng)實(shí)際最終頻率在公差范圍內(nèi)就為良品,加工就結(jié)束。如果實(shí)際最終頻率低于公差范圍可以作為F-不良重新加工一次。如果實(shí)際最終頻率大于公差范圍,則只能作為F+不良而報廢。

而在實(shí)際生產(chǎn)過程中,由于操作員缺乏相關(guān)理論知識,不能精確的對加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。使得加工的產(chǎn)品會因?yàn)榭涛g速度過快,產(chǎn)生較大的頻率偏移,或直接產(chǎn)生F+。而刻蝕速度太低不僅會降低加工的效率,當(dāng)時間超過設(shè)備的監(jiān)控時間后,就會直接出現(xiàn)F-不良。

例如,在實(shí)際應(yīng)用中,因?yàn)椴僮鲉T沒有系統(tǒng)的理解以上理論知識,當(dāng)A品種的石英晶振在進(jìn)行離子刻蝕微調(diào)時,發(fā)現(xiàn)頻率分布整體偏低,接近20ppm。因?yàn)閾?dān)心現(xiàn)F-不良,希望將整體頦率調(diào)鬲。此時應(yīng)該確認(rèn)是否是因?yàn)?/span>H段加工時的速度太慢, 導(dǎo)致L段加工前的頻率過低。使得在進(jìn)行L段加工時,時間過長,超過了設(shè)備的監(jiān)控時間,而強(qiáng)制停止L段加工。

而操作員沒有經(jīng)過確認(rèn)就主觀的將最終日標(biāo)頻率調(diào)高, 發(fā)現(xiàn)頻率略有上升,但仍然偏低。就調(diào)高L段的刻蝕速度,剛開始有一定效果,但是沒有達(dá)到理想狀態(tài),就繼續(xù)調(diào)高L段刻蝕速度,此時不但沒有效果,反而因?yàn)樗俣忍?/span>,刻蝕后的頻率偏移使得頻率有略微的下降。并且出現(xiàn)因刻蝕速度的太高而產(chǎn)生的F+不良(如圖4-8)。因?yàn)闆]有專業(yè)技術(shù)繼續(xù)調(diào)整,并且認(rèn)為不良品數(shù)量不多,為了趕快完成當(dāng)日產(chǎn)量,就繼續(xù)加工制品。此時,因?yàn)?/span>H段的刻蝕速度低,影響加工效率, 并由于F+的出現(xiàn),增加了產(chǎn)品的不良數(shù)。

圖4-8各參數(shù)設(shè)置不良時離子刻蝕后頻率偏移的頻率分布表

為了解決這一問題,本文通過前幾節(jié)的知識和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),制定標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)。首先將最終晶振頻率設(shè)定在0pm。然后為了將L段加工的頻率偏移盡可能減少,就將L段的刻蝕速度設(shè)定為80ppm/s。為了控制L段的刻蝕量在100pm左右,將中間目標(biāo)頻率設(shè)定在-45pm,H段加工速度設(shè)定為1600ppm/s,這是H段加工后的結(jié)果在50ppm~-0ppm之間,加上刻蝕后的頻率偏移使得L段加工的刻蝕量在-100pm120ppm之間。

按這樣的設(shè)定既可以保證L段加工的效率,也可以控制L段加工后的頻率偏移。使得最終實(shí)際頻率以晶振頻率為中心分布。將上述方法設(shè)定的參數(shù)作成作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)書如圖4-9所示,讓作業(yè)員遵照執(zhí)行。圖4-10是按此作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作,對制品加L后的頻率分布。山圖中可以看出頻率是以日標(biāo)頻率為中心分布的,并且分布比以前集中,也沒有不良出現(xiàn)。因此,本論文提出的方法可以提高產(chǎn)品的合格率。

晶振是種控制頻率元件，在電路模塊中提供頻率脈沖信號源，在信號源傳輸?shù)倪^程中石英晶振在電路配合下發(fā)出指令，通過與其他元件配合使用。簡單點(diǎn)來說就是晶振的作用是給電路提供一定頻率的穩(wěn)定的震蕩（脈沖）信號，比如石英鐘，就是通過對脈沖記數(shù)來走時的.

業(yè)內(nèi)人士都知道晶振的生產(chǎn)制造是經(jīng)過了一道道工序嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮?經(jīng)過反復(fù)檢測最終才成為一顆合格的晶振產(chǎn)品.今天億金電子要給大家說的是生產(chǎn)制造石英晶振要如何選擇優(yōu)異的晶片?

晶振片的電極對膜厚監(jiān)控、速率控制至關(guān)重要。目前,市場上提供三種標(biāo)準(zhǔn)電極材料:金、銀和合金。

金是最廣泛使用的傳統(tǒng)材料,它具有低接觸電阻,高化學(xué)溫定性,易于沉積。金最適合于低應(yīng)力材料,如金,銀,銅的膜厚控制。用鍍金晶振芯片監(jiān)控以上產(chǎn)品,即使頻率飄移IMHz,也沒有負(fù)作用。然而,金電極不易彎曲,會將應(yīng)力從膜層轉(zhuǎn)移到石英基片上。轉(zhuǎn)移的壓力會使晶振片跳頻和嚴(yán)重影響質(zhì)量和穩(wěn)定性。

銀是接近完美的電極材料,有非常低的接觸電阻和優(yōu)良的塑變性。然而,銀容易硫化,硫化后的銀接觸電阻高,降低晶振片上膜層的牢固性。

銀鋁合金晶振片最近推出一種新型電極材料,適合高應(yīng)力膜料的鍍膜監(jiān)控,如siO，SiO2,MgF2,TiO2。這些高應(yīng)力膜層,由于高張力或堆積的引]力,經(jīng)常會使晶振片有不穩(wěn)定,高應(yīng)力會使基片變形而導(dǎo)致跳頻。這些高應(yīng)力膜層,由于高張力或堆積的引力,經(jīng)常會使晶振片有不穩(wěn)定,高應(yīng)力會使基片變形而導(dǎo)致跳頻。銀鋁合金通過塑變或流變分散應(yīng)力,在張力或應(yīng)力使基體變形前,銀鋁電極已經(jīng)釋放了這些應(yīng)力。這使銀鋁合金晶振片具有更長時間,更穩(wěn)定的振動。有實(shí)驗(yàn)表明鍍Si02用銀鋁合金晶振片比鍍金壽命長400%。

鍍膜科技日新月異,對于鍍膜工程師來說,如何根據(jù)不同的鍍膜工藝選擇最佳的晶振片確實(shí)不易。下面建議供大家參考

（1)鍍低應(yīng)力膜料時,選擇鍍金晶振片

最常見的鍍膜是鍍A、Au、Ag、Cu,這些膜層幾乎沒有應(yīng)力,在室溫下鍍膜即可膜層較軟,易劃傷,但不會裂開或?qū)桩a(chǎn)生負(fù)作用。建議使用鍍金晶振片用于上述鍍膜,經(jīng)驗(yàn)證明,可以在鍍金晶振片鍍60000埃金和50000埃銀的厚度。

（2)使用鍍銀或銀鋁合金鍍高應(yīng)力膜層

NiCr、Mo、Zr、Ni-Cr、Ti、不銹鋼這些材料容易產(chǎn)生高應(yīng)力,膜層容易從石英晶體基片上剝落或裂開,以致出現(xiàn)速率的突然跳躍或一系列速率的突然不規(guī)則正負(fù)變動。有時,這些情況可以容忍,但在一些情況下,會對蒸發(fā)源的功率控制有不良作用。

（3)使用銀鋁合金晶振片鍍介質(zhì)光學(xué)膜

MgF2、SiO2、A2O3、TiO2膜料由于良好的光學(xué)透明區(qū)域或折射率特性,被廣泛用于光學(xué)鍍膜,但這些膜料也是最難監(jiān)控的,只有基底溫度大于200度時,這些膜層才會與基底有非常良好的結(jié)合力,所以當(dāng)這些膜料鍍在水冷的基底晶振片上,在膜層凝結(jié)過程會產(chǎn)生巨大的應(yīng)力,容易使晶振片在1000埃以內(nèi)就會失效。

關(guān)于晶振的信息億金電子在前面的文章中已經(jīng)提到過很多次了,大家有不懂的可以到億金新聞動態(tài)中了解.下面我們要說的是關(guān)于石英晶振晶片的由來以及石英晶振晶片的工作原理.

石英晶振晶片的由來

科學(xué)家最早發(fā)現(xiàn)一些晶體材料,如石英,經(jīng)擠壓就象電池可產(chǎn)生電流(俗稱壓電性),相反,如果一個電池接到壓電晶體上,石英晶體就會壓縮或伸展,如果將電流連續(xù)不斷的快速開「關(guān),晶體就會振動。

在1950年,德國科學(xué)家 GEORGE SAUERBREY研究發(fā)現(xiàn),如果在石英晶體,石英晶體諧振器的表面上鍍一層薄膜,則石英晶體的振動就會減弱,而且還發(fā)現(xiàn)這種振動或頻率的減少,是由薄膜的厚度和密度決定的,利用非常精密的電子設(shè)備,每秒鐘可能多次測試振動, 從而實(shí)現(xiàn)對晶體鍍膜厚度和鄰近基體薄膜厚度的實(shí)時監(jiān)控。從此,膜厚控制儀就誕生了。

薄薄圓圓的晶振片,來源于多面體石英棒,先被切成閃閃發(fā)光的六面體棒,再經(jīng)過反復(fù)的切割和研磨,石英棒最終被做成一堆薄薄的(厚0.23mm,直徑1398mm)圓片,每個圓片經(jīng)切邊,拋光和清洗,最后鍍上金屬電極(正面全鍍,背面鍍上鑰匙孔形),經(jīng)過檢測,包裝后就是我們常用的晶振片了。

用于石英膜厚監(jiān)控用的石英芯片采用AT切割,對于旋光率為右旋晶體,所謂AT切割即為切割面通過或平行于電軸且與光軸成順時針的特定夾角。AT切割的晶體片振動頻率對質(zhì)量的變化極其靈敏,但卻不敏感干溫度的變化。這些特性使AT切的石英晶體片更適合于薄膜淀積中的膜厚監(jiān)控。

石英晶振晶片的原理

石英晶體是離子型的石英晶體,由于結(jié)晶點(diǎn)陣的有規(guī)則分布,當(dāng)發(fā)生機(jī)械變形時,例如拉伸或壓縮時能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,稱為壓電現(xiàn)象。例石英晶振晶體在9.8×104Pa的壓強(qiáng)下承受壓力的兩個表面上出現(xiàn)正負(fù)電荷約0.5V的電位差。壓電現(xiàn)象有逆現(xiàn)象,即石英晶體在電場中晶體的大小會發(fā)生變化,伸長或縮短,這種現(xiàn)象稱為電致伸縮。

石英晶體壓電效應(yīng)的固有頻率不僅取決于其幾何尺寸,切割類型而且還取決于芯片的厚度。當(dāng)芯片上鍍了某種膜層,使芯片的厚度增大,則芯片的固有頻率會相應(yīng)的衰減。石英晶振,石英晶體的這個效應(yīng)是質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過測量頻率或與頻率有關(guān)的參量的變化而監(jiān)控淀積薄膜的厚度。

石英晶體法監(jiān)控膜厚,主要是利用了石英晶體,石英晶體振蕩器的壓電效應(yīng)和質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。

石英晶體的固有頻率f不僅取決于幾何尺寸和切割類型,而且還取決于厚度d,即f=N/d,N是取決與石英晶振晶體的幾何尺寸和切割類型的頻率常數(shù)對于AT切割的石英晶體,N=f·d=1670Kcmm。

物理意義是:若厚度為d的石英晶體厚度改變△d,則石英貼片晶振頻率變化△f, 式中的負(fù)號表示晶體的頻率隨著膜增加而降低然而在實(shí)際鍍膜時，沉積的是各種膜料,而不都是石英晶體材料,所以需要把石英晶振厚度增量△d通過質(zhì)量變換轉(zhuǎn)換成膜層厚度增量△dM,即

A是受鍍面積,pM為膜層密度,p。為石英密度等于265g/cm3。于是△d=(pM/pa)"△dM,所以

式中S稱為變換靈敏度。

對于一種確定的鍍膜材料,為常數(shù),在膜層很薄即沉積的膜層質(zhì)量遠(yuǎn)小于石英芯片質(zhì)量時,固有頻率變化不會很大這樣我們可以近似的把S看成常數(shù),于是上式表達(dá)的石英晶振晶體頻率的變化人行與沉積薄膜厚度△dM有個線性關(guān)系因此我們可以借助檢測石英晶體固有頻率的變化,實(shí)現(xiàn)對膜厚的監(jiān)控。

顯然這里有一個明顯的好處,隨著鍍膜時膜層厚度的增加,晶振頻率單調(diào)地線性下降,不會出現(xiàn)光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)中控制信號的起伏,并且很容易進(jìn)行微分得到沉積速率的信號。因此,在光學(xué)監(jiān)控膜厚時,還得用石英晶振,石英晶體法來監(jiān)控沉積速率,我們知道沉積速率穩(wěn)定隊(duì)膜材折射率的穩(wěn)定性、產(chǎn)的均勻性重復(fù)性等是很有好處和有力的保證。

石英晶體膜厚控制儀有非常高的靈敏度,可以做到埃數(shù)量級,顯然石英晶體的基頻越高,控制的靈敏度也越高,但基頻過高時晶體片會做得太薄,太薄的芯片易碎。

所以一般選用的石英晶振,貼片晶振片的頻率范圍為5~10MHz。在淀積過程中,基頻最大下降允許2~3%,大約幾百千赫?；l下降太多振蕩器不能穩(wěn)定工作,產(chǎn)生跳頻現(xiàn)象。如果此時繼續(xù)淀積膜層,就會出現(xiàn)停振。為了保證振蕩穩(wěn)定和有高的靈敏度體上膜層鍍到一定厚度后,就應(yīng)該更換新的晶振片。

此圖為膜系鍍制過程中部分頻率與厚度關(guān)系圖。

恒溫晶振(OCXO)介紹

恒溫晶體振蕩器OCXO( Oven Controlled Crystal Oscillator),是目前頻率穩(wěn)定度和精確度最高的石英晶體振蕩器。它在老化率、溫度穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度等方面的性能都非常好,作為精密的時頻信號源被廣泛用于全球定位系統(tǒng)通信、計(jì)量、頻譜及網(wǎng)絡(luò)分析儀等電子儀器中。目前,絕大多數(shù)高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器都采用了將晶體恒溫的方法,使用精密的恒溫控制槽,將槽內(nèi)溫度調(diào)節(jié)到晶體諧振器的零溫度系數(shù)點(diǎn)上。這樣,能最大限度地克服溫度對晶體振蕩器頻率的影響,被廣泛用作標(biāo)準(zhǔn)頻率源。恒溫晶體振蕩器包括以下幾個基本組成部分。

1.高精密的石英諧振器

石英諸振器是振蕩電路的核心元件。正確選擇切角是制作頻率溫度系數(shù)好的石英諧振器的必要條件,特別是在寬溫度范圍內(nèi)使用的石英晶體諧振器更是如此。目前恒溫晶體振蕩器中常用的石英諧振器有AT切和SC切兩種。它們具有頻率溫度系數(shù)小,Q值高,老化效應(yīng)小等特點(diǎn)。

2.穩(wěn)定的振蕩電路

由于恒溫晶體振蕩器要求頻率穩(wěn)定度高,除了在控溫電路方面要達(dá)到一定的控溫精度外,振蕩電路本身穩(wěn)定性也是起決定性作用的。恒溫晶體振蕩器中振蕩電路的基本功能就是把直流電能轉(zhuǎn)變成具有一定頻率、幅度且頻率高度穩(wěn)定的交流電能,這種轉(zhuǎn)換是在石英諧振器的參與下進(jìn)行的。其中最突出的問題就是頻率的穩(wěn)定性。所以分析、設(shè)計(jì)振蕩電路都以此為前提。

3.結(jié)構(gòu)完善、溫控良好的精密恒溫箱

精密恒溫箱是由恒溫槽,溫度控制電路及其它輔助裝置組成的恒溫系統(tǒng)。在晶體振蕩器中,用來使石英諧振器和有關(guān)電路元件保持恒溫。其作用是把石英晶振,石英諧振器的溫度穩(wěn)定在石英諧振器的拐點(diǎn)溫度處,從而充分發(fā)揮拐點(diǎn)溫度附近石英諧振器的頻率溫度系數(shù)小的特性,使其得到合理使用。設(shè)計(jì)一個符合要求的恒溫槽和選擇一個性能良好的溫度控制電路對穩(wěn)定頻率起著舉足輕重的作用。因此一個高穩(wěn)定的晶體振蕩器,不但應(yīng)具有穩(wěn)定的振蕩電路,而且還必須有性能良好的恒溫箱來保證其頻率的穩(wěn)定,兩者缺一不可。隨著對晶體振蕩器穩(wěn)定度要求的逐步提高,對恒溫箱的控溫精度要求也越來越高,目前,頻率穩(wěn)定度在100~10量級的晶體振蕩器,其恒溫箱的溫度控制精度應(yīng)在0.001℃以內(nèi)。

隨著通信技術(shù)的不斷提高,對恒溫晶振的要求越來越高,使其不斷向著高精度與高穩(wěn)定化,低噪聲與高頻化、低功耗、快啟動、小型化方向發(fā)展。

晶振的相關(guān)數(shù)學(xué)定義

假設(shè)晶振輸出信號為正弦波,其數(shù)學(xué)模型可以表示為:

式中VO為標(biāo)稱峰值輸出電壓,§(t)為幅度偏移,φ(t)為相位偏差,fr為標(biāo)稱頻率。

瞬時頻率為:

相對頻率偏移為：

式中x(t)=為時間偏差,由式(2-7)可以得到：

瞬時頻率的常用公式為:

式中f(t)為t時刻的瞬時頻率值,fO為t=0時刻的頻率值,fr為標(biāo)稱頻率,D(t)為頻率漂移率。

由式(2-7)和(2-9)可推導(dǎo)出:

式中,y為初始相對頻率偏差。

由式(2-8)和(2-10)可以得到:

式中,x為初始時間偏差,也叫做同步誤差。

一般性能比較好的石英晶振,日老化率近似為常數(shù),特別是對于OCXO晶振,在頻率保持模式下,我們只考慮老化對實(shí)際頻率的影響。很多晶振的老化指標(biāo)用的是年老化率,如±0.05ppm( Part per Million),一般情況下我們可以近似得出日老化率, 大概為年老化率的百分之一。

假設(shè)晶振老化率為常數(shù),式(210)變?yōu)椋?/span>

其中當(dāng)|Bt|<<1時,有ln(Bt+1)→Br,式(2-17)變?yōu)槭?/span>(2-12)的形式:

y(t)=C+ ABt                              式(2-18)

圖2.4給出了典型的老化率數(shù)學(xué)模型。可以看出石英晶振的老化率可以為正數(shù)可以為負(fù)數(shù),也可能會產(chǎn)生圖中曲線y3(t)的情況。圖2.5為銣原子頻標(biāo)的老化曲線,由于測試曲線的后半段存在參考和被測之間因漂移方向相同的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致漂移問題不是很明顯。

式中,do、d為正數(shù),參數(shù)aj(n),j=1,2,…,M由當(dāng)前數(shù)據(jù)輸入和上次數(shù)據(jù)輸出迭代估計(jì)得到,價值函數(shù)為

通過最小化價值函數(shù),可以得到參數(shù)a,(n),j=1,2,…,M,得到t(n)時刻的ao a1…aM后,t(n+l)時刻的相對頻率偏差預(yù)測值為:

系列實(shí)驗(yàn)表明,估計(jì)性能對d0、d和M的取值不是很敏感,建議取值為d=1~05d(M-1),d=0.1~1.0,M=5~10。加權(quán)對數(shù)函數(shù)模型的缺點(diǎn)是計(jì)算比較復(fù)雜。

2.2.4晶振的頻率溫度特性

除過老化的影響,溫度也是影響頻率變化的主要因素,而不同切型的晶體的頻率一溫度特性是不一樣的,一般AT切基頻晶體的頻率一溫度變化關(guān)系都是三次曲線,存在若干個零溫度系數(shù)點(diǎn),如圖2.6所示。

因此對其進(jìn)行溫度補(bǔ)償時要采用具有非線性函數(shù)擬合能力的數(shù)學(xué)模型。然而由于OCXO恒溫晶振中一般采用SC切晶體,雖然其頻率一溫度變化曲線也是非線性的, 但是其頻率一溫度穩(wěn)定度在寬溫度范圍內(nèi)較AT切晶體有很大改善,并且由于它將石英晶體、振蕩電路以及部分其它線路置于精密恒溫槽中,恒溫槽的工作溫度選擇在所用晶體的零溫度系數(shù)點(diǎn)處,因此OCXO恒溫晶振的頻率溫度系數(shù)非常小。當(dāng)恒溫槽的工作溫度波動被控制在很小范圍內(nèi)時,如優(yōu)于百分之一攝氏度時,其頻率溫度變化也可以被限制在很小的范圍內(nèi),而且正是由于這種恒溫作用,其頻率溫度變化曲線非常接近于線性。所以對OCXO恒溫晶振的頻率溫度變化的預(yù)測可以采用線性數(shù)學(xué)模型, 而Kalman濾波算法正是一種較好的線性模型估計(jì)器,因此用它來擬合OCXO恒溫晶振的頻率溫度特性曲線是合適的。

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    2018年1月27日

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