（检测技术与自动化装置专业论文）基于力频效应的新型温补晶振的研究.pdf

0 一z2j 摘要 l i i il li it l i ll1 1 111 1iil y 1812 0 8 6 摘要 通过简要的介绍几种常用的晶体振荡器的发展和优缺点，以及中国振荡器的 发展现状，本文提出一种新型的基于力频效应的温度补偿晶体振荡器。传统的温 度补偿晶体振荡器是想办法消除晶体谐振器的力频效应，但是我们从反方向来思 考，利用晶体的温频特性和力频特性之间的联系，用力频特性的理论改善其温频 特性，即基于应力补偿的温度补偿晶体振荡器( t c x o ) 。文章详细的介绍了这种 基于力频的温度补偿晶体振荡器的原理，可行性分析以及实现方案。本文通过大 量实验结果证明这种补偿的效果是明显的，可以获得较高的频率稳定度，使普通 晶振的温度频差减小在1 0p p m 以内，对一些小公差的晶振在4 0 + 7 5 甚至可 以减小到4p p m 以内，这与进行过线路补偿的温度补偿晶体振荡器的2p p m 相 差很小。通过力频效应补偿的晶体谐振器的温度频率特性有了明显的变好，我们 可以在此基础上再做温度补偿，不仅可以使线简单而且可以提高稳定度。由于这 些优点，我们便可以用它来代替微机补偿晶体振荡器，这样不仅可以简化线路， 而且没有量化误差。 关键词：t c x o力频效应应力补偿p p m a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，w e p u tf o r w a r d an 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 dq u a r t z c r y s t a l o s c i l l a t o rb a s e do nf o r c ef r e q u e n c yt h r o u g h i n t r o d u c i n gs o m ek i n d so f c o n v e n t i o n a lc r y s t a lo s c i l l a t o r sd e v e l o p m e n t ，t h ea d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g eo fi ta n d t h ed e v e l o p m e n ti nc h i n a w ea l w a y se l i m i n a t e dt h ef o r c ef r e q u e n c yb ya l lm e a n si n c o n v e n t i o n a l ，b yc o n t r a r y , w eu s et h ec o n n e c t i o nb e t w e e nf o r c ef r e q u e n c ya n d t e m p e r a t u r et h i st i m e ，s ow ec a nc o m p e n s a t et h et e m p e r a t u r ef r e q u e n c yb yf o r c e f r e q u e n c y n a m e l yt c x oo nb a s eo ff o r c ec o m p e n s a t e i nt h i sp a p e r ，w es p e c i f i c l y i n t r o d u c et h et h e o r yo ft c x ow h i c hb a s e do nt h ef o r c ef r e q u e n c ya n dt h ef u t u r eo ft h i s o s c i l l a t o r t h o u g hal o to fe x p e r i m e n t ，w ef i n do u rt h e o r yh a v eg r e a te f f e c t ，w ec a ng e t h j g l lf r e q u e n c ys t a b i l i t y t on o r m a lc r y s t a lr e s o n a t o r , w ec a nm a k ei te l i m i n a t e1 0p p m ， t os m a l lt o l e r a n c ec r y s t a lr e s o n a t o r , w ec a ne v e nm a k ei td e c r e a s et o 4 p p mb e t w e e n 幻一7 5c e n t i g r a t e i th a sv e r ys m a l ld i f f e r e n c ew i t hr e s o n a t o rw h i c hc o m p e n s a t ew i t h c i r c u i th a s 2p p m ，a n dw ef i n di th a sn oe f f e c to na g i n g t h er e s o n a t o rw h i c hi so n b a s eo ff o r c ef r e q u e n c yc a nb es e l e c tw i t ha tc u to rs cc u t r e s o n a t o r , w h o s e t e m p e r a t u r ef r e q u e n c yh a sal o to fi m p r o v e m e n t t h et e m p e r a t u r ef r e q u e n c yo ft h e r e s o n a t o rw h i c hc o m p e n s a t ew i t hf o r c ef r e q u e n c yh a sc h a n g eb e t t e r , w ec a nm a k e t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t eo nt h i sb a s e ，i tc a nn o to n l ym a k et h ec i r c u i ts i m p l y , b u ta l s o c a ni t ss t a b i l i t yb ei m p r o v e d i nt h e s ev i r t u e s ，w ec a nu s ei t t os u b s t a n t i a lm c x o ，w e c a nm a k et h ec i r c u i ts i m p l e ，a n di tw i l lh a sn o te r r o r k e yw o r d s ：t c x o f o r c ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i cf o r c ec o m p e n s a t i o n p p m 第一章绪 1 1 石英晶体元器件的技术进展1 1 1 1 石英晶体振荡器1 1 1 2 石英晶体滤波器6 1 2 温度补偿晶体振荡器6 1 2 1 温补晶振的发展史6 1 2 2 国内外温补晶振的发展动态7 1 3 石英晶体元器件的应用8 1 4 石英晶体元器件的市场需求。9 1 5 本论文的研究成果与内容安排。l o 1 6 ，j 、结1 1 第二章石英晶体力频效应的研究概况1 3 2 1 石英晶体谐振器的力频效应1 3 2 1 1 施力大小与频率变化的关系1 3 2 1 2 施力角度1 l ，与频率变化的关系1 4 2 1 3 在受力情况下的温频特性。1 5 2 1 4 力灵敏度与旋转角的关系1 6 2 1 5 频率温度系数与力灵敏度温度系数。1 8 2 1 6 其它因素的影响2 0 2 2 新的补偿思想。2 1 2 2 1 补偿原理2 1 2 2 2 施力方法2 1 2 3 小结2 2 第三章应力补偿温补晶振的设计2 3 3 1 早时期应力补偿的晶体元件的讨论2 3 3 2 压电温度传感器和压电力传感器2 4 3 2 1 压电温度传感器2 4 3 2 2 压电力传感器2 5 3 3s c 切应力补偿石英谐振器2 5 3 4 基于应力补偿温补晶振的设计思路。2 6 基于力频效应的新型温补晶振的研究 3 5 施加应力的设计方法2 8 3 6 应力对频率作用的力学模型分析2 9 3 6 1 内应力分析3 0 3 6 2 热应力原理3 2 3 6 3 双金属随温度变化产生的线性热应力3 3 3 6 4 基于双金属电极的热应力补偿的温补晶振3 5 3 7 小结3 8 第四章应力补偿的实验结果及分析 3 9 4 1 应力补偿的初步实验及分析3 9 4 1 1 实验过程3 9 4 1 2 实验结果及分析4 1 4 2 应力补偿晶体振荡器的改进工作。4 3 4 3 j 、结4 8 第五章应力补偿实验后续研究及发展方向4 9 5 1 晶体本身特性的限制4 9 5 2 石英谐振器电极应力引起的频率漂移4 9 5 3 金属材料的选择5 2 5 3 1 金属薄膜的结构和性能5 2 5 3 2 金属材料的选择5 5 5 4 薄膜的物理参数5 5 5 5 应力补偿晶振老化问题的思考5 7 5 6 应力补偿晶振的优点及意义6 0 5 6 1 应力补偿晶振的优点6 0 5 6 2 应力补偿温补晶振的意义6 1 5 7 小结：6 2 结论 致谢 参考文献 在读期间的研究成果 6 3 6 5 6 7 7 1 第一章绪论 第一章绪论 石英晶体元器件是用压电单晶石英( 即水晶) 制成的压电器件1 1 1 ，它不仅具有 高度稳定的物理化学性能，而且弹性振动损耗小。与其它电子元器件相比，压电 石英晶体还有着很高的频率稳定度和高q 值( 高达数百万) ，其主要原材料人造石 英水晶的价格又较低，这些十分突出的优点，使其成为稳定频率和选择频率的重 要元器件。石英晶体元器件在电子整机中的应用非常广泛，从普通的儿童玩具、 电子钟表到彩电、音响、v c d 、微处理机、无线通讯、电视信号转播等都离不开 它。随着电子信息产业的飞速发展，尤其是数字化电路的广泛应用，石英晶体元 器件的市场需求量快速增长。对晶体元器件的片式化、小型化、高频率稳定度以 及一些特殊要求也越来越高。近几年，国内外石英晶体元器件生产、工艺以及产 品质量的技术水平都有了跨越式的发展。在此，本章对此作了分析与探讨。 1 1 石英晶体元器件的技术进展 石英晶体元器件一般分为两大类，即石英晶体振荡器和石英晶体滤波器。因为 现在国内外石英晶体主要研究的是石英晶体振荡器，加之本文主要讨论文是温度补 偿型石英晶体振荡器，所以下面主要针对石英晶体振荡器作介绍，对晶体滤波器作 简要介绍。 1 1 1 石英晶体振荡器 一、石英振荡器基本原理 1 石英晶体谐振器【2 1 石英晶体是硅石( s i 0 2 ) 的一种。天然和人工制造的石英晶体都是六角锥体， 具有各向异性的物理特性。按其自然形状有三个对称轴，电轴x ，机械轴y ，光轴 z 。石英谐振器中的各种晶片，就是按与各轴不同角度，切割成正方形、长方形、 圆形、或棒型的薄片，如图1 1 的a t 、b t 、c t 、d t 等切型。不同切型的晶片 振动型式不同，性能不同。 图。 简 层 石 也 意 图1 2 一种金属外壳石英晶体结构示意图 3 压电效应i 习 若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械形变。反之，若在 晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称 为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶 片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电 场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值的时候，振幅明显加 大，比其他频率下的振幅大很多，这种现象称为压电谐振，它与l c 回路的谐振现 象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。 符号 m 1 等效电路 l 。 摩性i ! 。 n f j j ，o 。鬈；- 瓦三_ ? 国电抗频率特性示意图 图1 3 石英晶体振荡器的符号、等效电路和电抗频率特性 4 符号和等效电路 石英晶体谐振器的符号和等效电路如图1 3 所示。当晶体不振动时，可把它看 成一个平板电容器称为静电电容c ，它的大小和晶片的几何尺寸、电极面积有关， 一般约为几个p f 到几十p f 。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感l 来等效。 一般l 的值为几十m h 至几百m h 。晶片的弹性可用电容c 来等效，c 的值很小， 一般只有0 0 0 0 2 - - 0 1 p f 晶片振动时因摩擦而造成的损耗用r 来等效，它的数值约 为1 0 0 q 。由于晶片的等效电感很大，而c 很小，r 也很小，因此回路的品质因数 q 很大，可达1 0 0 0 1 0 0 0 0 。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、 几何形状、尺寸有关，而且可以做到精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路 可获得很高的频率稳定度。 5 谐振频率 从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即： ( 1 ) 当l 、c 、r 支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小( 等于r ) 。串联谐振 频率用f s 来表示，石英晶体对于串联谐振频率f s 呈纯阻性。 ( 2 ) 当频率高于f s 时，l 、c 、r 支路呈感性，可与电容c 。发生并联谐振，其 并联频率用f d 表示。根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗一频率特性曲 线如图2 c 所示。可见当频率低于串联谐振频率f s 或者频率高于并联谐振频率f d 时，石英晶体呈容性。仅在f s f f d 极窄的范围内，石英晶体呈感性。 二、石英晶体振荡器类型特剧4 l 石英晶体振荡器是由品质因数极高的石英晶体振子( 即谐振器) 和振荡电路 组成。晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器 的性能，国际电工委员会( i e c ) 将石英晶体振荡器分为4 类：普通晶体振荡器 ( s p x o ) ，电压控制式晶体振荡器( v c x 0 ) ，温度补偿式晶体振荡器( t c x o ) 恒温控制式晶体振荡器( o c x o ) 。目前发展中的还有数字补偿式晶体振荡器 4 基于力频效应的新型温补晶振的研究 ( d c x o ) 等。 普通晶体振荡器( s p x o ) 可产生1 0 - 5 1 0 一量级的频率精度，标准频率1 1 0 0 m h z ，频率稳定度是1 0 0 p p m s p x o 没有采用任何温度频率补偿措施，价格 低廉，通常用作微处理器的时钟器件。封装尺寸范围从2 1 x 1 4 6 m m 及5 3 2 x 1 5 r a m 。 电压控制式晶体振荡器( v c x o ) 的精度是1 0 缶 1 0 - 5 量级，频率范围1 - - 3 0 m h z 。低容差振荡器的频率稳定度是+ _ _ 5 0 p p m 。通常用于锁相环路。封装尺寸1 4 x1 0 x 3 m m 。 温度补偿式晶体振荡器( t c x o ) 采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率 精度达到1 0 - 7 , - , 1 0 石量级，频率范围1 , - - - , 6 0m h z ，频率稳定度从1 2 5 p p m ，封 装尺寸从3 0 3 0 x1 5 m m 至1 1 4 9 6 x 3 9 m m 。通常用于手持电话、蜂窝电话、 双向无线通信设备等。 恒温控制式晶体振荡器( o c x o ) 将晶体和振荡电路置于恒温槽中，以消除环 境温度变化对频率的影响。o c x o 频率精度是1 0 1 0 1 0 培量级，对某些特殊应用 甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。 三、石英晶体振荡器的主要参数 晶振的主要参数有标称频率、负载电容、频率精度、频率稳定度等。不同的晶 振标称频率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。如常用普通晶振标称频率有： 4 8 k h z 、5 0 0k h z 、5 0 3 5k h z 、1m h z - 5 0 m h z 等，对于特殊要求的晶振频率可达 1 0 0 0m h z 以上，也有的没有标称频率，如c r b 、z t b 、j a 等系列。负载电容是指 晶振的两条引线连接i c 内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串 接电容。负载电容不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载 电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联谐振晶振的 低负载电容晶振频率；另一个是并联谐振晶振的高负载电容晶振频率。所以，标 称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一致，不能冒然互换，否则会造成 电器工作不正常。 1 振荡器的频率稳定 所谓频率稳定，就是在各种外界条件发生变化时，振荡器实际工作频率与指定 频率之间偏差最小，稳定的振荡频率，才能使一些电路对信号能够正确处理准确输 出。 为使石英晶体振荡器频率稳定，要考虑以下因素，并采取相应措施。 石英晶体的老化效应，是指它的谐振频率随时间作缓慢变化的现象。石英晶体 虽经过厂家老化处理，但还须在开机使用数十天后，调整频率补偿电容，才能使振 荡器工作在指定频率上。 石英晶体工作时，两端加有激励电压，要消耗一定功率。激励电压过高，损耗 第一章绪论 5 产生的热效应过大，而使谐振频率变化，产生不可逆的老化漂移，或使晶片振动振 幅过大，甚至可造成晶片振裂损坏；过小的激励电压，将使振荡器输出减小，甚 至不能维持振荡。为使石英谐振器频率稳定，激励电平要合适且稳定。 由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求，对于高档设备还需要有 一定的频率精度和频率稳定度。频率精度从1 0 4 量级到1 0 。1 0 量级不等。稳定度从 1 1 0 0 p p m 。这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振，如通信网络、无线 数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器。因此，晶振的参数决定了晶 振的品质和性能。在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振，因不同性能的 晶振其价格不同，要求越高价格也越贵，一般选择只要满足要求即可。 四、泛音晶体 一块一定尺寸和形状的晶片，既可以在基频上谐振，也可以在更高的基频奇次 谐频上产生谐频谐振。通常把利用石英晶片的基频谐振的谐振器，称为基频谐振器； 利用石英晶片的谐频谐振的谐振器，称为泛音谐振器。用于高频的石英晶体，一般 采用厚度切变的振动型式，其谐振频率与厚度成反比，频率越高，厚度越薄，机械 强度越差。利用石英晶体的泛音型工作，就是用其基频的奇次谐频电压激励，产生 压电谐振现象。采用泛音晶体，可不减小晶片厚度，而得到频率很高且稳定的谐振 频率。目前已有数十次泛音晶体，振荡频率高达数百兆赫。理论上，同_ 晶体在基 频和奇次谐频上都可激励，但在实际制作中，专门根据用途制作基频或泛音石英晶 体。它们的等效电路相同，而参数不同。在串联、并联型电路上都可工作。但振 荡频率较高时，常用串联振荡型电路。 ， 五、石英晶体振荡器的发展趋势1 5 】 1 小型化、薄片化和片式化。为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短、 小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转 变。例如t c x o 这类器件的体积缩小了3 0 1 0 0 倍。采用s m d 封装的t c x o 厚 度不足2 r a m ，目前5 3 r a m 尺寸的器件已经上市。 2 高精度和高稳定度。目前无补偿式晶体振荡器总精度也能达到_ + 2 5 p p m ，s p x o 的频率稳定度在0 - 7 0 范围内一般可达2 0 - - - 1 0 0 p p m ，o c x o 在同一温度范围 内频率稳定度一般为0 0 0 0 1 - - - ，5 p p m ，而t c x o 则为0 1 5 p p m ，v c x o 控 制在2 5 p p m 以下。 3 低噪声，高频化。在g p s 通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征 振荡器频率颤抖的一个重要参数。目前o c x o 主流产品的相位噪声性能有很大改 善。除了v c x o 外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过2 0 0m h z 。例如 用于g s m 等移动电话的u c v 4 系列压控振荡器，其频率为6 5 0 - - - , 1 7 0 0 m h z ，电源 电压2 2 3 3 v ，工作电流8 1 0 m a 。 4 低功耗，快速启动。低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。 6 基于力频效应的新型温补晶振的研究 电源电压一般为3 3 v 。目前许多t c x o 和v c x o 产品，电流损耗不超过2 m a 。石 英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。例如r 本精工生产的 v g 2 3 2 0 s c 型v c x o ，在0 1 p p m 规定值范围条件下，频率稳定时间小于4 m s 。 日本东京陶瓷公司生产的s m d 型t c x o ，在振荡启动4 m s 后，则可达到额定值的 9 0 。o k a 公司的1 0 2 5 m h z 的o c x o 产品，在预热5 分钟后，则能达到0 0 1 p p m 的稳定度。 1 1 2 石英晶体滤波器 单片晶体滤波器( m c f ) 是在石英基片表面配置若干金属电极而构成的带通和 带阻滤波器。它利用压电效应的能陷理论来选择电极振子的几何尺寸、返回频率 和电极振子间矩，以控制超声波的声学耦合，从而达到滤波的目的。其特点是频 率选择度十分陡峭、损耗低、稳定性好、阻带衰减高，现已在移动通信设备中大量 使用，是必不可少的初级中频滤波器，对提高整机灵敏度和抗干扰能力具有重要 作用。国外噼品实用化水平为：中心频率为几mh z 1 5 0 m h z ，带宽0 0 0 1 0 1 ，频道间隔1 2 5 2 5 k h z ，最小封装尺寸为8 x 8 x 3 2 mm ，重量为0 4 9 。 m c f 目前的发展方向集中在开发新型压电材料，扩展带宽、减少带内延时波动、 增大带外衰减、扩充和提高中频点及线性度并使封装尺寸进一步小型化和片式化。 1 2 温度补偿晶体振荡器 1 2 1 温补晶振的发展史 石英谐振器问世之前，电子产品主要用l c 制作振荡器，其频率稳定度只能 达到1 0 一量级，远不能满足人们的需要。自1 8 8 0 年，居里夫妇发现“压电效应 起，揭开了人类利用“石英稳频”的序幕。4 1 年后( 1 9 2 1 年) 英国人c a d y 用x 切 5 0 k h z 晶体制成了世界上第一台晶体振荡器，频率稳定度为1 0 一，比l c 振荡器提 高了一个数量级，将其用于无线电广播，播出了当时稳定度最高的无线电信号， 引起了强烈反响。1 9 2 7 年石英钟问世，当时把它作为“一级频率标准 ，科学家依 此发现了地球自转的不均匀性，结束了以地球自转为基础的“地球时钟 之历史 史命。 石英谐振器的技术水平决定了石英晶体振荡器的水平。科技工作者为提高石 英谐振器的技术性能付出了辛勤的劳动。1 9 3 4 年德国的b e c h m a n 、英回的l a c k 和 日本的古贺几乎同时发现了具有优良温度频率特性的a t 、b t 切石英谐振器。1 9 3 7 年后又相继研制出 切小温度系数谐振 的晶体振荡器其频率稳定度达1 0 。8 量级而成为第二代“一级时间频率标准 。 1 9 5 2 年英国贝尔实验室w a r n e r 研制成功a t 切五次泛音的5 m h z ，2 5 m h z 高 精密石英谐振器，其q 值达( 2 5 。5 ) x 1 0 6 。用它制作的高稳晶体振荡器频率日稳定 度达1 0 。1 0 。以上，这是晶体振荡器发展史上的又一个里程碑。 1 9 6 1 年至1 9 7 4 年，i _ a g o s e c ，h o l l a n d 等研制出了双转角r r ，r t ，f c ，s c 切谐 振器。s c 切谐振器具有应力、温度双重补偿的优良性能，为研制高稳定度的晶体 振荡器提供了可靠的物质保障。 近年来法国的b e s a n c o n 利用严密的工艺制成了无电极式谐振器( b v a 石英谐 振器) ，它不存在电极膜应力老化影响，降低了表面损耗，故使q 值更高，用a t 切b v a 制作的高稳晶体振荡器其频率稳定度达5 4 x 1 0 以4 1 2 踟、老化率为 5 1 0 。2 d 。用s c 切b v a 制作的高稳晶体振荡器其频率稳定度会更高，频率秒级 稳定度可达1 0 。1 4 s ，老化率达5 1 0 1 2 d ，可以说s c 切b v a 石英谐振器是当今世 界上最优良的石英谐振器，它标志着晶体振荡器发展史上的第三个罩程碑。 考查晶体振荡器的发展历史可以看出： 1 石英谐振器的技术水平和性能指标决定着晶体振荡器的技术水平和性能指 标，前者的设计水平与制造工艺技术的每一突破都为后者的性能指标带来一次飞 跃。 2 晶体振荡器的频率准确度大约每2 0 年提高一个数量级。例如1 9 4 0 年为 1 0 一。1 0 。4 ，1 9 8 0 年为1 0 1 0 ，2 0 0 0 年为1 0 - 6 。1 0 。晶体振荡器的频率稳定 度大约每l o 年提高个数量级例如1 9 6 0 年研制水平为1 0 。1 0 ( 0 1 1 0 ) s ，少量 产品为1 0 一( 0 1 。1 0 ) s ，大量产品为1 0 巧( 0 1 1 0 ) s 、1 9 8 0 年在相同抽样时h 分别 为1 0 - 1 2 1 0 - 1 0 1 0 一，2 0 0 0 年分别达到1 0 - 1 4 , 1 0 - 1 2 , 1 0 以o 。 3 电子技术的发展，促进了晶体振荡器的发展，反过来后者又推动了前者的 进步。 。_ 一一 4 半导体技术的发展、电子元件性能的提高促进了晶体振荡器件能的提高， 为减小晶体振荡器的体积、降低功耗提供了可靠的保证。 5 随着晶体振荡器件能的提高，要求测试计量设备的性能必须更高。这必然 会促进测试计量设备的研制与生产。反之，只有具备高性能的测试计量设备，才 能研制、生产出高性能的晶体振荡器。 6 研制、生产晶体振荡器的自动化测试设备，是提高晶体振荡器生产效率， 保证其质量的必由之路。 1 2 2 国内外温补晶振的发展动态 8基丁：力频效应的新型温补品振的研究 温度补偿晶体振荡器【6 】是除高稳定度晶体振荡器外的第二大类晶体振荡器。它 具有体积小、重量轻、耗电小、开机即能正常工作等突出特点，其频率稳定度及 温度频差虽比高稳定度晶体振荡器低1 _ 3 个数量级但却比普通晶体振荡器高1 3 个数量级，所以在通信、导航、航空航天、程控交换机、通用仪器等军用、民 用电子设备中应用十分广泛。因此，国内外对温度补偿晶体振荡器的研制与生产 均十分重视。 1 国外温度补偿晶体振荡器发展动刹7 j 国外c e p e 公司自1 9 8 8 年已开始批量生产的模拟温度补偿晶体振荡器( a t c x 0 ) 在一4 0 。+ 8 5 。c 的宽温度范围内，且计入电源电压变化、负载变化、老化影响等后 频率稳定度可达到+ _ 2 p p m ，而功耗在低频段只有f 0 6 3 ) r o w ，高频段也在 f 1 8 5 ) m w 之间，可见其性能指标是很不错的。 数字温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) 适用的温度范围窄，功耗、体积、重量 也比后老大得多。微机温度补偿晶体振荡器( m t c x o ) ，在一5 5 一+ 8 5 温度变化范 围内温度频差达- - - 5 x 1 0 ，而功耗只有4 1 m w ，体积只有5 2 立方英寸，这种m t c x o 的性能是十分良好的。 2 国内温度补偿晶体振荡器发展动态 我国1 0 。6 量级的模拟温度补偿晶体振荡器已可批量生产，：t o 5 p p m 量级的模拟 温皮补偿品体振荡器已进入试生产阶段。数字补偿晶体标荡器的温度频差在 - 4 0 + 7 0 。c 温度变化范围内已达2 1 x 1 0 。微机温度补偿晶体振荡器的温度频差 在一4 0 + 6 2 温度变化范围内已达：r 5 x 1 0 。8 。这说明我国温度补偿晶体振荡器的技 术水平提高速度是非常快的。当然，与国外发达国家相比还有一定差距。差距 最大的是功耗、体积与重量。其原因是我国半导体技术与国外发达国家相比差 距较大。不能为温度补偿晶体振荡器提供性能优良的专用集成芯片，这是造成我 国温度补偿晶体振荡器功耗、体积、重量都较大的主要原因。日前，温度补偿晶 体振荡器亦着手采用表面贴装技术，那时不仅温度补偿晶体振荡器的功耗、体积、 重量将进一步减小而且工作的稳定性与可靠性亦将大大提高。 我国温度补偿晶体振荡器的其它性能指标与国外相比，差距也有，但不是很 大。欲进一步提高这些指标的技术水平，除进一步优化电路设计、提高调试水平 外，应努力提高晶体谐振器、热敏电阻、变容管及其它有源与无源元器件的技术 性能。 1 3 石英晶体元器件的应用 1 石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大特点。不论是老式石英钟或是新式 多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的 第一章绪论 9 走时精度。 2 随着电视技术的发展，近来彩电多采用5 0 0 k h z 或5 0 3 k h z 的晶体振荡器作为行、 场电路的振荡源，经1 3 的分频得到1 5 6 2 5 h z 的行频，其稳定性和可靠性大为提高。 而且晶振的价格便宜，更换容易。 3 在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到 了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高 速数字数据传输等。 4 在汽车电子方面，石英晶体元器件主要用于汽车导向、功能控制、电子地图、 电子定位仪和汽车音响系统。 5 石英晶体具有很高的频率稳定性，同时对温度和力也很敏感，采用石英晶体的 测温计的温度分辩率可达到百分之一摄氏度。由于石英晶体对力的敏感更为特 殊，因此，采用石英晶体的力学测量仪器既可以监测地壳的巨大应力，又可测出 室内烟尘微粒的重量。 孙， 1 4 石英晶体元器件的市场需求 随着电子信息产业的飞速发展和电子整机的小型化、高性能的发展趋势，石英 晶体元器件的市场需求量还将快速增长。对高档m c f 单片晶体滤波器和t c x o 温 度补偿晶体振荡器的需求量将更大，而h c 4 9 u s m 型谐振器及s m d 型产品以其体积 小，电性能优等技术优势，将逐步取代h c 4 9 u 及h c 4 9 u s 型产品，因而受到国 际范围的极大关注，应用这些产品的重要意义越来越被各企业所认识。目前全世界 电子市场对石英晶体元器件的总需求量约为5 5 亿只，年增长率为1 0 。在晶体的微 型化与表面贴装发展方面，1 9 9 6 年，同本的石英晶体元器件的片式化率已达2 7 ， 片式t c x o 温度补偿晶体元器件已进入市场。目前表面安装的t c x o 温度补偿晶体 元器件和v c x o 压控晶体元器件已大量上市，日本、菲律宾及中国的台湾、香港等 国家和地区都已有此类产品的供应。 一 中国是一个迅速发展的国家。产业结构正在从劳动密集型向技术型转变。但国 内的晶体行业还比较落后，虽然年产量不小，但分布散乱，规模小，档次低，难 以满足石英晶体元器件市场的要求。1 9 8 8 年我国压电晶体元器件年产量已达4 9 0 0 万只，人造水晶1 5 8 1 1 d 匿，销售额1 0 6 3 8 万元，利润2 6 3 1 力元，出口创汇6 7 9 万美元。 至1 1 9 9 7 年，晶体元器件的产量为1 3 亿只，人造水晶约1 0 0 0 吨，销售额约1 7 亿元， 出口创汇1 8 0 0 0 力 美元，比1 9 8 8 年分别增长2 6 倍、6 3 倍、1 5 倍、2 6 倍。我国石英 晶体元器件的产量约为同本产量的一半，在亚洲居第二位。 目前国内市场对石英晶体元器件的年需求量约1 3 1 6 亿只，年增长率将近 2 0 ，国内生产的石英晶体元器件的出口量约占总量的7 0 - - 8 0 。我国石英体元器 1 0 基丁力频效应的新型温补品振的研究 件需求量近年来增幅较大，但价格下滑较快，普通低档晶体元件价格已经降到接近 产品成本的水平。晶体元器件的价格取决于类型和性能指标，其价格从高到低的大 体排序为：石英晶体元器件、s m d 、u m 系列、4 9 a j s 、4 9 a j 。目前我国市场供应较 多的s m d 石英晶体元器件是市场大量需求的产品，也是今后我国石英晶体元器件 的主要发展方向。 1 5 本论文的研究成果与内容安排 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、硬件电路、软件实现做充分学习 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频特性和温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。这种应力补偿温补晶振有着广阔的市场前景，因为它 的补偿只需在现有的石英谐振器的加工工艺上，再在电极上镀一层金属薄膜，就 可以达到温度补偿的作用，从而省去了现有的a t c x 0 ，d t c x 0 ，m c x 0 等温补晶振的 补偿电子线路，从而大大的节省了成本，并减小了体积。 这一方法的提出，在国内外尚属首次。本文对该种温补晶振的设计原理、实 现方案、老化特性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 的正确性。同时，文章还从弹性力学的角度，对不同厚度电极中内应力引起的晶 体谐振器频率的漂移作了缜密的理论计算。 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。 二、本论文的内容安排 本论文的第一章主要介绍了石英元器件的技术进展、温补晶体振荡器的国内 外发展状态以及市场需求。并引出了本论文所讨论的基于力频效应的应力补偿温 补晶振，简要的介绍了前人研究成果、本人的设想、研究方法等，为下一章的工 作开了头。 第二章介绍了温补晶振的力频特性原理，重点介绍了温频特性和力频特性的 关系，以及力频效应受施力角度、方向、大小的影响，最后提出了基于应力补偿 的石英晶体振荡器，为下一章详细设计打下了基础。 第三章详细介绍了这种新型的基于应力补偿的温补晶振设计的实现部分，包 括设计原理，具体方案等，对此方案的形成的一步步的推导过程作了细致的描述， 并且为这种方案提供了充分的理论依据。 第四章首先描述了早期的实验结果并对其作了分析讨论，接着提出了新的改 进方案并对新方案的实验结果做了详细分析，通过两次实验的结果，充分验证了 我们方案的可行性以及基于应力补偿的石英晶体振荡器的优势。 第五章对 案的几个重要 于应力补偿的温补晶振的优点及多位专家对该方法的反响，以及研发这种新型振 荡器的意义。 1 6 小结 本章重点介绍了石英晶体振荡器的发展、分类和性能指标，同时对温度补偿 石英晶体振荡器的发展史和国内外的发展状态作了详细介绍，接着简单的叙述了 下石英晶体的广泛的应用和很好的市场需求，为我们研发一种新型的温度补偿 晶体振荡器作了经济上可发展的有力论证。在本章的最后一个部分引出来我们的 重点，也就是新型的温度补偿晶体振荡器应力补偿晶体振荡器。这种晶体振 荡器是在已有的石英谐振器的生产工艺的基础上提出的一种新型的温度补偿的方 案。新型的应力补偿温补晶振是利用石英谐振器的力频特性和温频特性相结合的 方式，只需在石英谐振器上施加一个随温度变化的应力，从而改变其谐振频率， 以补偿温度产生的频率变化。这一方法的提出，在国内外尚属首次。本章的最后 介绍了本论文的主要工作和内容安排。 t 频效应的新型温补品振的研究 石英晶体的 的实验和理论研究，发现石英晶体的频率变化与加力的大小、加力的方向以及晶 体本身的温度、旋转角和振荡频率都有着密切的关系，并给出了相应的理论基础 或实验结果。1 9 6 6 年r a t a j s k i i 9 1 列出了对由于外力作用而产生频偏掣有影响的参 数，并进行了定义。在这些参数中影响较大的有加力的大小，加力的方向1 i ，、环 境温度t 和晶体的切角f 和o 。为了比较不同形状和频率的力频效应，r a t a j s k i 定 义了归一化灵敏度系数k f ，和与晶片直径d 和厚度t 有关的力灵敏度系数k n f 即 k ，。笪竺 l fn f ： p 等等 其中为谐振器的频率偏移量；d 为晶体圆盘直径；o 为谐振器基波频率；厂 为谐振器工作频率，f 为加载力的值，t 1 为支架影响常数。 2 1 1 施力大小与频率变化的关系 石英晶体力频效应的发现者b o t t o m 以及随后至今的5 0 年中的研究者，根据 大量的实验和理论研究得出结论：当石英晶体谐振器振子受力或应变的作用时， 谐振器的频率会随力的改变而线性变化。图2 1 为c h a r l e sr d a u w a l t c r 1 0 j 发表的实 验结果，其施力角度为3 7 。，测量温度为5 7 2 。由图中可知产生1 0 0 0 h z 的频率 变化需要2 0 0 9 力，即1 9 6 n ，那么对于广泛应用的1 0 m h z 一次泛音石英谐振器， 产生2 0 0 h z 的频率变化，即2 0 p p m 的频偏只需要4 0 9 力，约为0 3 9 2 n 。 m n i t e m 图2 1频率变化与施力大小的关系 2 1 2 施力角度1 l r 与频率变化的关系 在研究的开始阶段，人们就注意到力灵敏度与加力角度1 l f 有着密切的关系，将 1 l r 定义为所加力的方向与晶体片的x 轴或x 晶轴之间的央角。早在1 9 6 0 年b a l l a t o 和b e c h m a n n l l 2 】就发表了他们的测量结果，如图2 2 ，图中k f 为与晶片直径d 和频 率f 相关的力灵敏度，k f 为与晶片直径d 和厚度t 相关的力灵敏度。并且在r a t a j s k i 的定义中【1 3 j 肯定并引用了这一测量结果。但这一结果只针对于振于厚度剪切模式 的a t 切谐振器的频率变化与施力角度、i ，之间的函数关系。随着s c 切晶体的发展， 1 9 9 7 年m i t s u 0 1 6 1 等发表了s c 切晶体的力频效应与施力角度的关系的测量结果，如 图2 3 ，图中实线为使用最小二乘法拟和的结果。实验中【1 1 i s c 切石英晶体的旋转 角是f = 2 2 0 2 0 0 ”1 5 ”，0 = 3 4 0 1 0 ”1 5 ”，并且给出了与实验相关的理论分析。 可以看出对于不同的切型，力频效应与施力角度的关系的变化趋势是不同的。 兰 ； 釜 【i 为 k n t + 、g 一 - 一；等 ，一譬如 巧一 2 0 1 0 1 0 5 o o 5 - l 口 一l p q m 一 - 云 x a x