（测试计量技术及仪器专业论文）应力补偿温补晶振的研究及实用频率计的研制.pdf

摘要 摘要 论文的第一部分基于石英晶体谐振器的力一频特性，提出了一种新的温度补 偿晶体振荡器。在力一频特性的研究中，我们发现对石英晶体谐振器施加应力引 起晶格变形会导致谐振频率的变化。因此利用温一频特性与力一频特性的相互关 系，我们可以开发应力补偿晶体振荡器。 我们在谐振器金属电极表面镀上另一种金属的薄膜。在两金属的接触面的热 应力用于对石英晶体温一频特性进行补偿。详细描述了设计思想以及补偿的实现 方法。试验结果证明了这种应力补偿方法的可行性。这种新的温度补偿晶体振荡 器能够简化各种温度补偿线路，体积小、成本低、功耗低，具有很大市场。 论文的第二部分介绍了一种实用频率计。这种频率计根据多周期同步测频原 理设计，有效的消除了被测频率的士1 个字计数误差。因此它的精度比其它普通仪 器高。这种频率计能够显示被钡9 频率值和p p m 值，也能提示频率分选范围。这个 频率计可被用于石英晶体谐振器生产过程和特性研究中的晶体频率测量及分选。 文中详细给出了每一部分软、硬件的设计原理。最后，提出了一些改进的建议。 关键词：温补晶振力一频特性应力补偿p p m多周期同步 a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e rp r e s e n t san e wt y p eo ft e m p e r a t u r e - c o m p e n s a t e dc r y s t a lo s c i l l a t o r , w h i c hi sb a s e du p o l lt h ec r y s t a lr e s o n a t o rf o r c e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c i n n - o d u c e st h e t r a d i t i o n a lt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t e dc r y s t a lo s d l l a t o r , s u c ha st c x o ，m c x oa n d d t c x o ，a n dt h ed e v e l o p m e n to ft e m p e r a t u r e - c o m p e n s a t e dt e c h n i q u e s p e c i f yt h e m a j o rs t e p si nt h ef a b r i c a t i o nf l o wo f ac r y s t a lr e s o n a t o r o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c h i n ga c h i e v e m e n to ff o r c e - f i e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c , w e f o u n dt h a tt h ef o r c ea p p l i e dt oar e s o n a t o rc o u l dc a u s eaf r e q u e n c yc h a n g e w ep l a t e a n o t h e rk i n do fm e t a l l i cf i l mo nt h em e t a l l i cd e c t r o d e so ft h er e s o i l a t o r n 圮t h e r m a l t r e s si su s e dt og e n e r a t eav a 3 l r i e c t i o nf o r c et oc o m p e n s a t ef o rt h et e m p e r a t u r e - f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i co ft h ec r y s t a l n 蛇d e s i g ni d e aa n dr e a l i z a t i o no ft h ec o m p e n s a t i o na r e g i v e ni nd e t a i l t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l tp r o v e st h es t r e s s c o m p e n s a t e dm e t h o d i s f e a s i b l e t l l i s1 1 目p qt y p et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t e dc r y s t a lo s c i l l a t o rc o u l dn o to n l y o b v i o u s l yw i d e nt h es c o p eo f c h o s e nc r y s t a lb u ta l s oc o u l dp r e d i g e s ta l lk i n d so f c i r c u i t s i nt e m p e r a m z ec o m p e n s a t i o n i nt h es e c o n dp a r to ft h i sp a p e r , i n t r o d u c e sap r a c t i c a lc o u r l t f lt l l i sc o u n t e ri s d e s i g n e db yt h em u l t i - c y c l es y n c h r o n i z a t i o nf i e q u e n c ym e a s m e m c n tt e c h n i q u e , w h i c h e f f e c t i v e l ye l i m i n a t e st h ee f f e c to f 士l e r r o ls oi t sa c c u r a c yi sh i g h e rt h a nt h a to f o r d i n a r yi n s t m m e n t s t h i si n s t r u m e n tc o u l dd i s p l a yt h ef r e q u e n c ya n dt h ep p m a n d h i n tt h ef r e q u e n c ys o n i n gs c o p e t h i sc o u n t e rc o u l db eu s e df o rc r y s t a lf i e q u e n c y m e a s u r i n ga n ds o r t i n g , i nt h em a n u f a c t u r i n go fq u a r t zr c s o n a t o r sa n dt h es t u d yo f r e s o n a t o r sc h a r a c t e r i s t i c n 砖d e s i g na n dt h et h e o r yo fe v e r yp a r to ft h eh a g d w a l ea n d t h es o f t w a r ea r eg i v o ni nd e t a i l t h e n , s o m ep i e c e so fa d v i c ea r ep r o p o s e df o r b e t t e r m e n t k e yw o r d s ：t c x o f o r c e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cs t r e s s - c o m p e n s a t e d m u l t i - c y c l es y n c h r o n i z a t i o np p m 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作过的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：二辑 日期：z 一以上旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。学校 有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或 部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。( 保密的论文在解 密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在_ 年解密后使用本授权书。 本人签名。二甄 导，槲：雕 日期：兰! ! ：世互 第一章绪论 第一章绪论 石英谐振器问世之前，电子产品只能用l c 回路制作振荡器，其频率稳定度只 能达到l 旷量级，远不能满足人们的需要。1 8 8 0 年，居里夫人发现了压电效应现 象，揭开了“石英稳频”的序幕。2 0 世纪2 0 年代初，国外第一台石英晶体振荡器问 世。随着科学技术的迅猛发展，国内外晶体振荡器性能之优异，类型之繁多，应 用领域之广泛，皆远非昔日可比。如长途和市话通讯，地面、航海和航空移动目 标通讯，卫星通讯，雷达导航测控，卫星地面站，广播电视系统，全球卫星导航 定位系统，均需采用各类晶振作为频率控制标准信号源；又如射电天文，近代物 理实验，精密时频计量，精密频率综合器等电子仪器，皆有赖于高稳晶振提供精 密的频标和时基；再如，作为精密时频一级标准的地面和星载原子钟，也必须采 用高性能的伺服晶振，否则，就难于构成性能最佳的一级原予频标。总之，在现 代电子系统和设备以及精密时频计量等必需频率控制和管理的领域中，类型繁多 的各种晶振，已获得广泛应用，并具有“心脏”的显要地位。 1 1 石英晶体谐振器及其相关特性 石英晶体谐振器是晶体振荡器中最重要的稳频元件，它的性能直接决定了振 荡器系统的性能。它是根据石英晶体的正逆压电效应制造出的一种谐振器，q 值 高达上百万，因此它有着l c 谐振电路和r c 谐振电路难以匹敌的高频率稳定度。 从目前的科技发展状况来看，石英晶体谐振器的稳频地位在一百年以内是难以被 代替的。 1 1 1 石英晶体谐振器 石英晶体是一种各向异性的二氧化硅( s i o ：) 结晶体，两端呈角锥形，中间是一 个六面体，如图1 1 所示【1 1 。其中，z 轴为过两顶端轴线，又称为光轴；x 轴和y 轴处于与z 轴垂直的晶体六边形横截面上，x 轴于六边形的对角连线( 或其平行 线) ，又称电轴；y 轴是六边形对边的互相垂直线，又称机械轴。 2 应力补偿温补晶振的研究及实用频率计的研制 一y x 图1 1 石英晶体的坐标轴系 石英晶体具有正、逆压电效应，即沿某一些机械轴( y ) 或者电轴( ) ( ) 对其施加压 力时，则在与它们垂直的两个表面上产生异号电荷，其值与机械压力产生的形变 位移成正比；反之，若在晶体两面之间加一电场，则根据电场方向的不同，晶体 将沿电轴( ) ( ) 或者机械轴( 延伸或压缩，其延伸或压缩量与电场强度成正比。上述 正、逆压电效应就是石英晶体可以用作谐振器的物理基础。 为了得到好的谐振效果，石英晶体谐振器都是把晶体做成片状。晶体片由严 格地按照一定方位切割晶体得到，切角p 和的定义如图1 2 所示，各切型如图1 3 所示。广泛采用的切割方式是使晶体片与电轴x 平行，而与光轴z 成一定夹角口。 例如，使用最多的a t 切割，就是按口= 3 5 。2 1 ( 基波) 或口= 3 4 6 3 5 。2 8 ( 泛音) 切割的晶体片。而目前性能更加优越的s c 切晶体，采用了双转角的切割方法。切 割方位不但和光轴z 成一定夹角，而且还和电轴x 也成一定的夹角。 z 图1 2 晶体片切角的定义 图l a 石英晶体谐振器的装架 石英晶体谐振器是一种体波谐振器，谐振频率主要由其切割方位、振动模式 以及晶体片的尺寸决定。例如，取纵向振动模式的晶体，其谐振频率近似由下式 给出： 正- - 2 7 x i 0 l ( i - 1 ) 式中l 是晶体的相应尺寸参数，以m 计，石以h z 计。按照上式，如果五= 1 0 0 k h z ， 则l = 2 7 c m 。如果f o = l o i v & i z ，则l = o 2 7 r a m 。由于尺寸太小的晶体片的加工困难， 也可以把晶体加工在谐波频率上。把以谐波频率作为输出谐振频率的晶体称为泛 音晶体，而把基波频率作为输出谐振频率的晶体称为基频晶体。最常用的泛音晶 应力补偿温补晶振的研究及实用频率计的研制 体均工作在3 次、5 次、7 次等奇次泛音下。基频晶体可调节控制的相对频率范围 较宽，但是频率稳定度要差一些。而泛音晶体则和它相反，更加稳定，但是可拉 动范围窄。在实际振荡器的制造上注意到了这个特点，常常用基频晶体做成压控 晶体振荡器，如在绝大多数的温度补偿晶体振荡器中那样。而用泛音晶体做成高 稳定度的晶体振荡器。 石英晶体谐振器的压电效应可以用图1 5 ( a ) 所示的等效电路来表示。等效电路 中的c o 为晶体片与金属电极板构成的装架电容；厶与e 为压电谐振的等效参数； 见为振动时摩擦损耗的等效电阻。图1 5 ( b ) 是等效电路的电抗频率特性。 ，良 啄| “) 莽敢电路( b ) 电抗一朔率持性 图1 5 石英晶体谐振器的等效电路及电抗频率特性 晶体的串联谐振频率，o ，由岛，c 。组成的串联谐振电路决定 厶2 司雨1 ( 1 - 2 ) 并联谐振频率丸，则由厶、c 。及c 。组成的并联谐振电路决定 k = ( 1 3 ) t a - o 刽丢( 通常q c o ) ( 1 - 4 ) g = 堕r q = 丽1 ( 1 - 5 ) 晶体谐振器的q 值一般为数十万到一、二百万。这也是它能够获得高的稳频 效果，并得到高的频率准确度和稳定度的原因。 第一章绪论 1 1 2 影响谐振器频率的主要因素 一、温度 温度是影响晶体及其振荡器频率变化的最主要的因素之一。不同切型晶体谐 振器的频率一温度特性是不同的。具体的频率一温度特性是和晶体的切割角度 相关的。而要构成的温补( 选择一定温度范围内的小频差变化) 和恒温( 选择零 温度系数点) 晶体振荡器正是在不同晶体的频率一温度特性的基础上完成的。 晶体谐振器的频率一温度特性具有以下几个特点： 乱除了a t 、g t 切晶体外，温度变化曲线都呈抛物线型，且抛物线顶点均在 室温附近，而a t 切晶体的零温度系数点则大致与室温对称； b 大多数情况下，不同零温度系数点可以通过改变晶体片相对于晶轴的切角 而取得，只有g t 切晶体比较特殊，它在晶片取向不变的情况下，可以通 过适当选择长、宽尺寸来改变； c 在比较宽的温度范围内，如5 5 + 1 0 5 1 2 ，a t 、g t 切晶体的相对频率变化 在角度加工合适的情况下，不超出2 1 0 。 二、老化 石英晶体的谐振频率会随工作时间发生单调而缓慢( 增加或减小) 的变化， 这种物理现象称为晶体的老化。 振动模式为厚度剪切的晶体片，如a t 切和s c 切，老化主要源于以下物理过 程： & 温度梯度效应，它在热平衡后持续几分钟到几小时； b 压力释放效应，它是上述热过程的函数，持续三天至三个月； c 晶体极板质量的增加或减小，该质量改变大部分源于气体的吸收和分解， 持续几周至几年； d 晶格不完善导致的晶体结构变化，为长期效应。 在低频石英晶体谐振器中，振动模式为面剪切的晶体，老化率最低，弯曲振 动模式次之，伸缩振动模式最大。而振动模式相同的晶体，则以频率低、极板大 的晶体，老化率较低。 精密型晶体谐振器，其老化效应一般可以区分为前期和后期两部分。前期老 化总是较之后期老化更明显。 前期，即最初稳定区间，老化率根据晶体本身的质量不同而有区别，分别达 l 1 0 4 ，月到l x l 0 - 。月； 后期，连续工作l 2 个月后，老化率可以减少至( 1 3 ) x 1 0 4 月到 ( 1 3 ) x 1 0 。1 0 月。 6 应力补偿温补晶振的研究及实用频率计的研制 三、激励电平 在精密晶体振荡器中，振荡频率对晶体的振荡幅度，即晶体电流或激励电平 ( 又称晶体耗散功率) 也有明显的依赖关系，如式所示： 鲈f * 薪2( 1 - 6 ) 式中，i 为流过晶体的交流电流；k 为常数，随晶体不同而不同；厂厂为相应振 荡频率的相对变化，对于2 5 m h z 和5 m h z 晶体，k 分别为0 2 a 2 和0 5 ，4 2 。 当激励电流较大时，晶体的老化性能和振荡频率的长期稳定度将会随之变坏。 例如，对使用a t 切5 次泛音的5 瑚z 或2 5m i - i z 精密晶体，当晶体电流从7 5 9 a 增加一个数量级时，其月老化率将由l x l 0 - 1 0 ，月增大到1 5 x 1 0 - 9 ，月。然而，由于噪 声电平的限制，激励电平也不能过小，否则振荡频率的短期稳定度会变坏。目前 一般的2 5 m h z 和5 m i - i z 高精密晶体振荡器的激励电平小于7 0 9 a 。 四、其它 除了上述因素之外，核辐射照射以及晶体单元感受到的加速度变化均将改变 晶振的频率。当晶体振荡器用于特殊的需要时，比如军用情况下，这些因素引起 的频率变化是不容忽视的。 1 2 温度补偿晶体振荡器 晶体振荡器从诞生到今天，已经发展出了普通晶振、温度补偿型晶振、电压 控制型晶振、恒温型晶振等多种类型，其频率稳定度涵盖了1 0 4 1 0 d 3 的宽阔范围。 高稳定度的晶体振荡器主要是恒温晶体振荡器( o c x o ) 和温度补偿晶体振荡 器( t c x o ) 。与恒温晶体振荡器相比，温度补偿晶体振荡器输出频率稳定度较低。 但是它开机即可正常工作，不需预热时间，而且功耗低，体积小，温度范围宽， 温度频差比普通晶体振荡器要高1 到3 个数量级，因此能够满足很多电子设备对 频率源的要求。根据工作温度范围的不同，其频率温度稳定度从士lp p m 到士o 1 p p m 。由于采用了表面贴装的小型元件和微组装技术，所以它的体积可以作到很 小。常用的士lp p m 的温度补偿晶体振荡器，已经做成了表面贴装形式，大约0 5 平方英寸面积乘十分之几英寸厚，其功耗一般都是几毫瓦。 温度补偿晶体振荡器中，对晶体谐振器的频率温度特性有很多种补偿方法， 根据补偿方法的不同，温度补偿晶体振荡器可以分为三类：普通的模拟温度补偿 晶体振荡器( t c x o ) ，数字温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) 以及微机补偿晶体振荡器 ( m c x o ) 。 第一章绪论 7 1 2 1 模拟温度补偿晶体振荡器( t c x o ) 模拟方式的温度补偿晶体振荡器的工作原理是：晶振主振电路中的调频电容 为一只变容二极管，该二极管两端的电压取自热敏电阻补偿网络。该补偿网络的 输出电压可以随环境温度的变化而变化，使得该电压对温度的变化关系与所用晶 体的频率一温度特性相对应，则通过变容二极管对晶体频率进行调节后，补偿了 晶体频率随温度的变化，使振荡器的输出信号的频率不受温度的影响。模拟温度 补偿晶体振荡器典型的框图如图1 6 所示。 晶 体 = 热敏 振 立 电阻 荡t 补偿 网络 器 图1 6模拟温补晶振典型框图 由于用于t c x o 的a t 切晶体的频率一温度变化关系大都是三次曲线，所以 补偿网络的输出电压也应该具有与此形状相似、变化方向相反的三次曲线。如图 1 7 所示。u n m 驰m 嘲 舯p 蜘巧 i 。 ， 入，一、 7v y 图1 7t c x o 补偿前后频率温度特性 可以有如图1 8 所示的补偿电压的网络。图中，马。、辱2 和写，分别是负温度 系数的低阻、中阻和高阻热敏电阻。网络( a ) 、( b ) 各有优缺点。( a ) 的优点是电路简 单，应用方便，缺点是高温补偿段要求墨，阻值较大，往往因为高阻系列元件少， 而不能满足。 的优点是宽温度补偿范围内适应性好，高温区间补偿时对元件又 无苛求，缺点是电路元件较多。 、扛日蓦毒 应力补偿温补晶振的研究及实用频率计的研制 b 图1 8 典型的补偿网络 膏j 这种温补晶振由于结构简单、体积小、功耗低、价格低而得到广泛应用。然 而，这种补偿方法不能逐点精确补偿晶体谐振器的频率一温度误差，因此其补偿 的精度也不是很高。模拟温度补偿晶体振荡器的频率温度稳定度约为士l x l 0 击， 而在宽温范围内还要低于这个值。 1 2 2 数字温度补偿晶体振荡器r ( d t c x o ) 数字温度补偿晶体振荡器一般是通过温度传感器来测量晶体谐振器内晶片的 温度，用数字技术处理温度传感信号并形成控制电压，控制压控晶体振荡器内的 变容二极管，拉动晶体振荡器的振荡频率，达到补偿的目的。p n 结或集成电路温 度传感器能将温度量转变成近似于线性的电压信号，再通过a d 转换器将电压信 号转变为数字量，这个数字量在存储器p r o m 中寻址，得到与其对应的补偿电压 量，然后通过d a 转换形成补偿电压。在存储器p r o m 中已经事先存储了由温度 实验得到的补偿电压的数据。典型的数字温度补偿晶体振荡器的框图如图1 9 所 示。 图1 9 典型数字温补晶振框图 第一章绪论 9 在5 5 + 8 5 的宽温范围内，d t c x o 的频率稳定度可以达到1 0 7 ，优于模 拟温补晶振。但是，对于数字温补晶振而言，并不是所有的指标都能够被提高。 在信号处理过程中，模拟信号被转交成数字信号来控制晶体谐振器。模拟信号在 被转变为数字信号时，会产生量化噪声，这使得振荡器的短期频率稳定度变差。 一般情况下，秒级频率稳定度为l o - 9 1 0 - 1 0 的晶体谐振器，制成数字温补晶振 后，秒级频率稳定度只有1 0 7 1 0 r s ，而且很难得到秒级频率稳定度优于1 0 。9 的数 字温补晶振。量化误差可以通过增加a d 和d a 的位数来减小。但是，这势必要 使振荡器的成本增加。图1 1 0 显示了补偿前后振荡器的频率韫度曲线【2 】。 ；! ：= ! ：二。i n 竺c o r p ：o ：r a 竺t e ；一 。 卫t c , ：c o 图1 1 0d t c x o 补偿前后频率温度特性 1 2 3 微机补偿晶体振荡器( m c x o ) 微机补偿晶体振荡器( m c x o ) 是由数字温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) 发展而 来的。m c x o 中使用了微处理器来进行数据处理、计算及控制等操作。软件在 m c x o 中发挥了很大的作用，利用软件的功能来替代d t c x o 中的存储器。其频 率温度稳定度在宽温范围内可以达到1 0 r 8 ，优于d t c x o ，其短期频率稳定度也优 于d 1 陀x o 。 微机补偿晶体振荡器的框图如图1 1 l 所示。它几乎与典型的d t c x o 相同。 这种微机补偿晶体振荡器虽然用微处理器替代了d t c x o 中存储器和时序控制器， 但在系统中由于仍然采用了a d 和d a 器件，使得其体积较大，功耗较高，成本 也比较高。目前，m c x o 主要使用s c 切型的晶体谐振器。 图1 1 l 最初的m c x o 框图 i o 应力补偿温补晶振的研究及实用频率计的研制 1 3 国内外t c x o 的技术发展 近十年来，t c x o 在移动通讯和军工方面的需求量越来越多，对产品的性能 指标、体积及成本方面的要求也越来越苛刻。因此，除了高精度的d t c x o 和m c x o 之外，对t c x o 的设计和生产的思路、所用器件和工艺等也发生了本质上的变化。 从上个世纪9 0 年代初起一些国外的企业就开始研究全集成电路的t c x 0 。近 年来，这方面的器件已经成熟并在一些国家得到广泛的应用。代表性的有日本 k a w a s a k i 公司和芬兰m i c r oa n a l o gs y s t e m s 公司的集成化的t c x o 器件 k a 5 s t 和m a s 9 2 7 0 及m a s 9 2 7 2 等。它们没有使用热敏电阻网络而采用了类似于 半导体p n 结的温度传感器和由运算放大器组构成的三次曲线发生器组合来产生 对v c x o 的温度补偿电压。这种全集成化的t c x o 的原理结构【6 ) 如图1 1 2 所示。 。 !三次函数电压发生嚣 l 淞脚降 _叫三鼍糍势瞄h 卜 | 1 纵臌蛐f 一 圈1 1 2新型t c x o 的结构框图 岛 这种t c x o 采用将v c x o 的温度实验的数据写入的三次曲线发生器的方法， 避免了传统的t c x o 必须在温度实验和计算的基础上进行电阻和热敏电阻的繁琐 挑选，因此是一种根本性的变革。这种集成电路只需要和晶体谐振器结合而几乎 不需要其它别的器件就可以构成温度补偿晶体振荡器。集成电路t c x o 中含有 p r o m 。通过根据晶体振荡器的温度特性实验获得的数据写入p r o m 就可以完成 t c x o 的生产。数据的写入主要是改变集成电路中三次曲线的斜率和幅度参数。 因为上述构成的变化，对晶体振荡器的温度实验过程也大大简化了。不像通常的 t c x o 或d t c x o 在温度实验时要求每隔5 度或1 0 度采集一个温度一频率或控制 电压数据，这种集成化的t c x o 只要求在全温度范围内共采集5 或3 个温度下的 频率数据，而且温度的间隔并不要求均匀。这从一方面来看，确实简化了温度实 验过程，但是从另一方面来看，应该说对所采用的晶体的特性指标甚至具体参数 也有了比较严格的要求。所用的晶体的频率一温度曲线必须光滑、没有跳频，而 且尽可能地接近于理想的三次曲线。具有这样的特点，才能在同样集成电路的基 第一章绪论 础上获得更好的补偿精度。这些集成化的t c ) ( o 器件给出补偿后的t c x o 的频率 一温度稳定度是从- 3 0 度到+ 8 5 度范围内为2p p m ，而在补偿效果好的时候可以达 到优于士lp p m 。关键在于i c 和晶体的配合。 这种集成电路结构的温度补偿振荡器线路具有很好的工作一致性，通过大批 量生产也大大降低了i c 的价格和生产成本。由于振荡器本身只由一片集成电路和 一只晶体组合而成( 有的t c x 0 再配几只电容器) ，生产的过程就成了实验、调试 和检验的过程。其质量的保证更多地依赖于集成电路和晶体的生产质量。所以在 严格测试、检验制度的情况下，质量更容易获得保证。和传统的t c x o 的生产过 程相比，这种集成电路结构的温度补偿振荡器的生产过程是更加简化了。 我们在国外技术基础上的改进集成化的t c x o 采用了对它再进行二次数字及 微机补偿的方法。也就是对已经补偿过的振荡器使用了数字补偿，把其频率稳定 度再提高l o 倍左右使得在集成化的t c x o 的1 1 0 1 左右的基础上最终实现确保 + 2 x 1 0 “的指标。这样的温度补偿晶体振荡器与单纯的m c x o 相比，在体积、造 价等方面更具有优势。并且也降低了量化噪声的影响。 1 4 晶体谐振器的生产过程 要生产出性能良好的石英晶体谐振器，除具有合理的设计及优良的原材料外， 生产工艺将起决定性作用。石英晶体谐振器的一般工艺流程如下图所示。 水晶棒一测爱j 氪体光角卜- 一切割品 精检1 卜_ - _ 糖囊 h 中检 生卜i 望苎堡垒卜叫整翌 丽目辆嚣 | _ 柄 抛光ii 滴洗腐蚀卜一晶片分盏卜叫嚣宅镀燕卜一装架点豌 垒茎h 堕兰h 堕鱼苎堕卜叫堑茎卜叫塑童堡塑 图1 1 3 晶体谐振器的生产工艺流程 现将工艺流程中主要步骤做一简单介绍： 一、切片检验 由水晶棒切割而成的石英毛片有可能存在较大切角误差，为保证石英晶体谐振 器有良好且一致的频率一温度特性，石英毛片在粗加工前都必须先用x 光定向仪进 行角度分选。分选后，根据需要选择合适角度的毛片才能进行加工。为保证分选 的质量，分选时角度的精度控制在s l ，分选后标注标准面。 应力补偿温补晶振的研究及实用频率计的研制 二、研磨 研磨可以分为粗磨、中磨和细磨。粗磨主要是对晶片进行角度上的精细调整 和厚度切削，中磨和细磨则是对晶体片按照设计要求进行精细的厚度控制的必需 工序。根据不同晶体的工艺要求，中磨和细磨可以有不同组合，它们使用的磨料 粒度也可根据研磨要求进行不同搭配。例如对厚度在3 7 丝以上的毛片进行中磨时， 可先用一台6 s 研磨机使用m 2 0 砂磨至2 5 丝，再用另一台6 s 研磨机使用m l o 砂磨至1 5 丝；如果毛片厚度在3 5 丝以下，一般则赢接用一台6 s 研磨机使用m 1 0 砂磨至1 5 丝， 然后清洗干净进行下一步的细磨。细磨一般先使用4 s 研磨机，经过4 s 细磨的晶体 片已经可以产生振荡频率，并且需要按照1 0 0 蚴差将晶体片分档，频率未达到 要求的需要再使用3 b 研磨机进行进一步细磨，磨出的晶片相当于半抛光的晶片。 三、抛光 一般5 次泛音以上晶体需进行抛光，但现在对于基频和3 次泛音晶体，为保证 晶片表面质量和晶体在使用时的稳定、可靠，也都进行抛光。抛光一般可采用2 s 抛光机，与研磨晶片一样，抛光晶片时同样应注意工作环境清洁，出现破片时。 应彻底清洗抛光盘及油轮，避免出现抛光砂痕，且不允许出现混砂现象。 四、清洗腐蚀 对于不抛光片，先用洗液加热清洗，后用浓度4 0 以下氢氟酸腐蚀几分钟直至 达到要求腐蚀频率为止。 对于抛光片，抛光前先用洗液加热清洗，后用浓度4 0 以下氢氟酸浸泡几分钟 即可；抛光后先用洗液加热清洗，后用饱和氟化铵溶液浸泡4 0 6 0 分钟，最后再用 洗液加热清洗，用去离子水反复加热，超声清洗干净即可。 五、真空镀膜 首先设计加工出镀膜用各种规格的掩膜、镀膜盘，然后根据石英谐振器技术 指标要求、相似性原理及实验定出电极面积；根据返回频率系数，镀膜机当前效 率及经验决定出镀膜量。镀膜过程按一般的镀膜机操作规程进行，镀膜后的石英 片频率精度尽量控制在+ 1 0 0 0 p p m 以内，以利于调频机调频，提高调频的成品率。 六、装架点胶 将镀好电极的石英片慢慢放入带状支架的两金属片之间，让带槽孔的两金属 片紧紧夹住石英片，然后在电极和金属片接触处涂上一层导电胶，使电极膜通过 边缘上的导电胶与金属片接触而产生电连接。点胶后，将石英振子放入烘箱内在 2 2 0 下烘j 学4 d 时左右，而后转入下一道工序。 七、调频 调频是在已镀好电极的晶片上再镀上薄薄的一层与电极相同的金属，以获得 要求的标称频率。调频采用调频机，整个过程由计算机操作控制。如果正确设置 各项参数( 包括标称频率五、等效电阻孟等) ，调频精度可控制在1 0 p p m 以内。 第一章绪论 晶体调好后应放入烘箱进行烘烤。 八、封装 一般使用的电阻封焊机或者更先进的冷压焊机。晶体封装好后，需用检漏仪 进行检漏，确认达到检漏指标后，方可进行印字。 九、成品测试 晶体封装后，进行印字、烤字，最后一步就是测试。测试的目的是检测石英 晶体谐振器各项性能参数( 如标称频率五、谐振电m r 、静电容c o 、频率及电阻 随温度的变化等) ，并根据技术要求选取相应合格晶体。成品测试一般采用晶体 参数测试系统，如得到国际上各大公司和国际专业组织普遍认可的美国s & d 公司 生产的2 2 0 0 晶体参数测试系统。该测试系统由主机、网络分析仪、计算机控制系 统组成。具有测量精度高、可靠性高、测试准确、速度快等特点。测试可以体现 石英晶体谐振器的制造水平，检验制作工艺是否合理，是产品质量和科研质量的 保证。 1 5 本论文的研究成果与内容安排 基于应力补偿的温补晶振就是在上述背景下产生的，它提出了用晶体力一频 效应补偿温一频特性造成的频率飘移的理论。 一、本论文的研究成果 本文在对传统温度补偿晶体振荡器的原理进行充分学习和研究的基础上，提 出了一种新型的基于应力补偿的温补晶振，此种新型的温补晶振是利用晶体的力 一频特性和温一频特性这两种物理性质的相互关系来开发的一种新型温度补偿晶 体振荡器。这一理论的提出，在国内外尚属首次。该方法能够大大简化甚至省略 补偿线路，并进一步拓宽温补晶振可使用的晶体范围。本文对该种温补晶振的设 计原理、实现方案均作了细致入微的阐述，最后用详实的实验数据证明了该理论 的可行性。本项目已申请到国家自然科学基金，同时这一新技术也已申报了国家 专利，目前正在评审中。 同时，本文根据晶体生产和晶体特性实验的实用性出发，设计研制了一种晶 体生产、实验专用频率计，它除了具有频率计的测频功能外，还具有显示p p m 值， 并能够手动设定分选档位对被测晶体进行分选提示的功能。此专用频率计实用性 强，提高了晶体谐振器的生产效率和成品率，也能够方便晶体特性研究时对p p m 值这一重要参数的取得。它已经应用到晶体生产实际中，并受到生产企业的好评。 二、本论文的内容安排 第一章对晶体谐振器进行了简单的介绍，重点介绍了温度补偿型晶体振荡器 的原理及其国内外相关技术发展情况。本章也对晶体谐振器的生产过程进行了介 1 4 应j j l , 偿温补晶振的研究及实用频率计的研制 绍。 第二章介绍了石英晶体谐振器的温一频特性以及力一频特性，为第三章基于 应力补偿的温补晶振的设计打下基础。 第三章详细介绍了基于应力补偿的温补晶振的设计原理和实现方案及应力的 计算公式推导，并对初步的应力补偿实验结果作了详细的分析讨论。 第四章主要介绍对应力补偿晶振设计进一步进行实验时所要重点考虑的一些 因素，并阐述了应力补偿温补晶振的优点和意义。 第五章详细介绍了专用频率计的功能和软、硬件设计，同时提出了改进方案 以及时频测控仪器开发平台的设想。 1 6 小结 对晶体谐振器进行了简单的介绍，重点介绍了温度补偿型晶体振荡器的原理、 分类和性能指标，及其国内外相关技术发展情况。本章也对晶体谐振器的生产过 程进行了介绍。最后介绍了本论文的主要工作和内容安排。 第二章石英晶体温一频特性和力一频特性 1 5 第二章石英晶体的温一频特性和力一频特性 2 1 石英晶体谐振器的温一频特性 石英晶体谐振器的谐振频率随温度变化的性质，称为温度一频率特性，简称 温一频特性。 2 1 1 频率一温度特性曲线 不同切型的石英谐振器的频率一温度特性曲线相差很大。例如，a t 切型为三 次曲线，如图2 1 所示；b t 、c t 、d t 和x + 5 。等切型的频率温度特性曲线为抛物 线，如图2 2 所示； 德 善。 8 。 每l 一。 一一- - 一一一一_ - - _ 一一一一 t o t a l s a t o mt 训习 图2 1 典型a t 切晶体谐振器频率温度特性 1 6 应力补偿温补晶振的研究及实用频率计的研制 o 瑚 舶 f m 洲e r c y 捌 d 枷m 。1 2 0 t p p 的 1 一1 e o 一2 1 0 - 2 一2 曩o - a o o 纩飞八o ，。办l婚巡一 、 ，f ? “t 可 一簟夺| | t i l | l ； 一 - | | h l | | l | | l 毫| | 1 8g | | l 一! | | t 日 广m o o * 2 0 mm “ 1 e n 事删u 怕“c 图2 2 常用切型石英谐振器频翠温厦特性曲线 根据频率方程、密度、晶片尺寸( 如长，宽，厚) 和弹性常数等随温度的变 化规律，可以得到频率温度特性方程的一般表达式7 】为 = 石f l + a o ( t r o ) + b o ( r 一瓦) 2 + c o ( r 一7 0 ) 3 + i 或等：专：五：n 0 ( r 一瓦) + ( r 一瓦) 2 + c o ( r 一瓦) 3 + ( 2 - 1 ) ，o，o 式中，r 为任意温度；毛为参考温度；f o 表示参考温度r o 为时的谐振频率5 a o 、z , o 、岛分别表示参考温度为r o 时的一级、二级和三级频率温度系数。下面分别 讨论频率温度特性曲线与口0 ，b o ，c o 之间的关系： ( 1 ) a o 0 而b d = c o = 0 的情况 a o 0 而6 0 = = o 频率温度特性方f ( 2 - 1 ) 可简化为 厂：f o b 帆( 丁一驯或竽：华强( 丁一矗) ( 2 - 2 ) ，oj o 由式( 2 2 ) 可以看出，相对频率随温度的变化呈线性关系。x + 1 8 。3 0 切型的频 率温度特性方程与式( 2 - 2 ) 相同，它的温度系数a 。 0 ； ( 2 ) 6 0 o 而a o = c o = o 的情况 当6 0 o 而a 。- - c o = 0 时，频率温度特性方程( 2 - 1 ) 可简化为 ，：f o 1 + b o ( t t o ) 2 】或等：华：6 0 ( 丁一t o ) 2 ( 2 - 3 ) j o，0 由式( 2 3 ) 可以看出，相对频率随温度的变化呈抛物线关系。b t 、c t 、d t 和x + 5 。 等切型的频率温度特性曲线的频率温度特性方程与式( 2 3 ) n n i 。 第二章石英晶体温一频特性和力一频特性 1 7 ( 3 ) 气o 而a o = 6 0 = 0 的情况 当吒0 而a o = b o - - 0 时，频率温度特性方程( 2 1 ) 可简化为 ，= f o 1 + ( 丁一t o ) 3 】或竽= 毒五：c o ( r 一瓦) 3 ( 2 4 ) j oj o 由式( 2 4 ) 可以看出，相对频率随温度的变化呈三次曲线关系。这样的三次曲 线没有极大值和极小值，只有一个拐点。在拐点温度z ( 所谓拐点温度，是二次微 商等= 。时的温度) 附近的窄温度范围内，笪f o 变化很小，超过此范围等即迅速 增大。为了扩大使用温度范围，通过稍微改变切角的方法来做到* 0 , b o = 0 ，在 此情况下，频率温度特性方程变为： ，= f o ll + a o ( t 一写) + 岛p t o ) 3l 或譬：( r t o ) + c o ( r t o ) ( 2 - 5 ) 式( 2 - 5 ) 可解释为直线a 。( 丁一瓦) 和三次曲线c o ( t - o ) 3 的叠加，叠加之后频率 温度曲线有极大值，极小值和拐点，在拐点巧附近宽温度范围内训五变化很小， 因而达到了在宽温度范围内具有较好的频率温度特性。a t 、g t 切型的频率温度特 性曲线的频率温度特性方程与式( 2 - 5 ) 相同。 2 1 2 频率一温度系数 陈j 用频翠一撮厦特性衄线采摘述谮振器的温度特性外，还经常_ h j 频翠一温 度系数来表示谐振器的温度特性频率一温度系数弓的数学表示式为 弓毒。等 ( 2 - 6 ， j u 1 式中去要为相对频率随温度的变化率应该注意，弓和、6 0 、吒之间的区别。 乃为任意温度t 时的频率温度系数，而孙b o 、c o 为参考温度瓦时的一级，二级， = 缀颛塞湍摩系粒即 1 8 应力补偿温补晶振的研究及实用频率计的研制 嘞= 斧1 , 而o f ，b嘞5 万。而b = 去c 筘 铲击c 等，巧。瓦市) 巧 ( 2 7 ) 将式( 2 1 ) 代入式( 2 6 ) 可得 刁= + 2 b o ( r r o ) + 3 ( r t o ) ( 2 8 ) 由式( 2 - 8 ) 可以看出： ( 1 ) 谐振器的频率温度系数z 与一级，二级，三级频率温度系数有关。 ( 2 ) 谐振器的频率湿度系数是温度的函数，因此不能笼统地说“频率温 度系数等于多少”，而应明确指出“在某一温度附近时的频率温度系数等于多少”。 ( 3 ) 频率温度系数的大小反映谐振器的温度稳定性。例如，t 的绝对值 大，则表示在该温度附近的频率温度的变化大，温度稳定性差；乃的绝对值小， 则表示在该温度附近的频率温度的变化小，温度稳定性好。当r ，= 0 时，则表示在 该温度附近频率随温度的变化为零，温度稳定性最好。 ( 4 ) 当t = r o 时，则r = a o 。这表明只有在a o = 0 的条件下，才存在零温 度系数。所以a 。= 0 的切型称为零温度系数切型。 2 2 石英晶体谐振器的力一频特性 石英谐振器的固有频率不仅与它的形状有关，也与环境参数有关，如温度、湿 度、压力、加速度、振动、磁场、电场、质量负载和辐射【2 3 】等。这些参数的变化 都将不同程度地引起石英谐振器的频率漂移。这些参数中，压力、振动和加速度对 石英谐振器频率的影响均是通过力一频效应起作用的。力一频效应就是当谐振器 受应力作用时，其谐振频率随之发生相应改变。这个应力可以由外力、加速度、振 动、电极变形、晶体的支撑或其它因素而引起。在力一频效应发现至今的近六十 年来，人们主要是将晶体的力一频效应应用在传感器方面，比如压力传感器、加 速度传感器和力传感器，但对应力补偿方面的研究较少，这也是本文所提出的应 力补偿温补晶振的新颖性所在。 需要说明的是，石英谐振器有许多形状和振动模式，本文为简单且突出重点， 仅限于对使用较广泛的振动模式为厚度剪切模式的圆形石英晶体谐振器进行讨 论。 第二章石英晶体温一频特性和力一频特性 1 9 2 2 1影响石英谐振器力一频效应的主要参数 石英谐振器的力一频效应最早i 由b o t t o m 于1 9 4 7 年发现嗍。在随后的近六十年 中，人们对这一效应进行了大量的实验和理论研究，结论是当石英谐振器振子受 力( 或应变) 的作用时，谐振器的谐振频率会随力的改变丽线性变化。无论是b o t t o m