（测试计量技术及仪器专业论文）基于应力处理方法的温度补偿晶体振荡器的研究.pdf

2 ：00 r , - 一l 霄叶，： 摘要 本文提出了一种新型的基于应力处理方法的温度补偿晶体振荡器。石英晶体 谐振器的谐振频率随环境温度的变化和所受应力的作用都会发生改变。本文所提 出的技术即利用了晶体的温一频特性和力一频特性这两种物理性质的相互关系来 对石英晶体谐振器进行补偿。文章详细介绍了这种温补晶振的设计原理、实现方 案，并以实验结果表明该种补偿可直接获得较高的频率一温度稳定度，可使晶体 在没有附加补偿线路的情况下，在- - 3 5 + 8 5 宽温范围内频偏最小达到 5 p p m ，并且对老化无明显影响。传统的温补晶振都是通过压控来实现模拟补偿， 采用的是基频晶体谐振器，因此大大限制了温补晶振晶体谐振器的选取范围。基 于应力补偿的温补晶振不仅可以使用a t 切的基频晶体，而且可以使用a t 切、s c 切泛音晶体，不仅明显拓宽了可使用晶体的范围，改善了温补晶振的频率温度特 性，而且节省了大量传统的数字温补和微机温补晶振中使用的体积庞大、价格昂 贵、功耗较高的器件，达到了简化甚至省略原有补偿线路的目的，因而体积小、 成本低、功耗小，具有巨大的市场应用价值。 关键词：温补晶振 力一频特性温一频特性应力补偿 iliii j 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 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 rb a s e d o ns t r e s s t h ef r e q u e n c yo ft h er e s o n a t o rc h a n g e sa c c o r d i n gt ot h et e m p e r a t u r ea n d t h e s t r e s sa p p l i e do ni t t h et e c h n i q u ei n t r o d u c e di nt h ep a p e rm a k e su s eo ft h er e l a t i o n b e t w e e nt h et w op h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so ff o r c e - f r e q u e n c ya n dt e m p e r a t u r e 。f r e q u e n c y “t oc o m p e n s a t et h ec r y s t a lr e s o n a t o r t h ed e s i g ni d e aa n dr e a l i z a t i o no f t h ec o m p e n s a t i o n a r eg i v e ni nd e t a i l ，a n de x p e r i m e n t a ld a t a s h o w st h a tt h er e s o n a t o rc a na c h i e v ea f r e q u e n c y - t e m p e r a t u r es t a b i l i t yo f + 5 p p mi nt h er a n g eo f - - 3 5 c + 8 5 。cw i t h o u t c o m p e n s a t i n gc i r c u i t t h i sn e wt y p et e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o nc r y s t a lo s c i l l a t o r n o t o n l yc a no b v i o u s l yw i d e nt h es c o p eo fc h o s e nc r y s t a l ，g e th i g hf r e q u e n c y 。t e m p e r a t u r e s t a b i l i t y , b u ta l s oc a np r e d i g e s ta l lk i n d so fc i r c u i t si nt e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n t h i s n e wt y p er e s o n a t o rn o to n l yc a i lc h o s ea t - c u tf u n d a m e n t a lf r e q u e n c yc r y s t a l ，b u ta l s o c a nu s ea t - c u ta n ds c c u to v e r t o n eo n e s s ow ec a ns p a nt h es c o p et oc h o o s ec r y s t a l t h i sn e wh i g hs t a b i l i t yc r y s t a lo s c i l l a t o rw i l lc a no b v i o u s l ys i m p l i f y , o re l s em a k eo u t a l lt h ec i r c u i t so ft e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n ，a n di t ss m a l lv o l u m e ，l o wc o s t ，l o wp o w e r c a ng e tw i d es p a c e k e yw o r d s ：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 c t e m p e r a t u r e - f r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c t c x o s t r e s s c o m p e n s a t e d 目录 目录 第一章绪论。1 1 1 石英晶体谐振器及其相关特性3 1 1 1 石英晶体谐振器3 1 1 2 影响谐振器频率的主要因素6 1 2 温度补偿晶体振荡器8 1 。2 1 模拟温度补偿晶体振荡器f f c x o ) 8 1 2 2 数字温度补偿晶体振荡器( d t c x o ) 。1 0 1 2 3 微机补偿晶体振荡器( m c x 0 1 1 1 1 3t c x 0 的技术发展1 2 1 4 晶体谐振器的生产过程1 3 1 5 本论文的研究成果与内容安排1 5 1 61 、结1 6 第二章石英晶体的温一频特性和力一频特性1 7 2 1 石英晶体谐振器的温一频特性1 7 2 1 1 石英晶体谐振器的热学性质1 7 2 1 2 石英谐振器的温频特性1 8 2 1 3 零温度系数切角2 1 2 2 石英晶体谐振器的力一频特性2 4 2 2 1 影响石英谐振器力一频效应的主要参数2 4 2 2 2 石英谐振器力一频特性的其它相关实验研究2 7 2 3 小结3 0 第三章基于应力处理方法的温度补偿晶体振荡器原理与设计3 l 3 1 平行六面体晶振力一频效应现象分析3 1 3 2 应力施加方法的设计3 3 3 3 应力对频率作用的力学模型分析。3 5 3 3 1 内应力分析3 6 3 3 2 接触面上热应力公式推导3 9 3 3 3 镀膜参数的确定4 1 3 4 小结4 2 第四章基于应力处理方法的温度补偿晶体振荡器实现。4 3 4 1 非小公差晶体。4 3 4 1 1 实验过程4 3 4 1 2 结果及分析4 5 4 2 小公差晶体4 7 4 2 1 实验过程。4 7 4 2 2 结果及分析4 8 4 3 卅、l ；5 1 目录 第五章应力补偿晶体振荡器的优点、意义及改进 5 1 应力补偿晶体振荡器的优点及意义5 3 5 1 1 应力补偿晶体振荡器的优点5 3 5 1 2 应力补偿晶体振荡器的意义5 4 5 2 应力补偿晶体振荡器存在的问题5 5 5 3 应力补偿晶体振荡器的改进5 8 5 3 1 电极金属材料的选择5 8 5 3 2 薄膜的物理参数。5 9 5 3 3 与其他补偿方法的结合6 0 5 3 4 实验结果的可重复性6 0 5 4d 、结6 0 结论 ! 改谢6 3 参考文献。6 5 在读期间的研究成果6 9 第一章绪论 第一章绪论 2 0 世纪2 0 年代初，国外第一台石英晶体振荡器问世，迄今已有8 0 余年【。 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子频标。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，并占有素称“心脏 的显要地位l 引o 晶体谐振器是晶体振荡器中最重要的稳频元件，它的性能好坏直接决定了振 荡器系统的性能好坏。它是根据石英晶体的正逆压电效应制造出的一种谐振器1 5 j ， 它的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，而且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。 石英谐振器的切型较多，如a t 切、b t 切、f c 切、s c 切等，目前应用最广 且性能优良的切型是a t 切和s c 切谐振器【3 j 。 a t 切型是1 9 2 9 年由德国、日本和美国的一些研究小组提出来的。a t 切型的 显著特点是谐振器的振荡频率与温度的关系呈近似的三次函数关系，因此它具有 零温度系数点，且零温度系数点大致落在大气环境温度的范围内。因此，用a t 切 谐振器制成的振荡器具有较好的频率温度特性。图1 1 示出了不同切角a t 切型谐 振器的频率温度特性曲线1 4 儿1 3 l 。根据振荡器的不同要求，可选用不同切角的谐振器。 a t 切谐振器虽然出现较早，但其性能得到大幅度改善是在6 0 年代初期。1 9 6 0 年当w a r n e r w a 对a t 切高精密谐振器的制造工艺进行彻底的改进之后，a t 切谐 振器才真正成为一种高稳频率源的元件。如今，高质量的a t 切高真空玻璃壳封装 的谐振器，其同老化率达到1 0 1 0 - 1 0 d 1 ，秒级短稳优于1 1 0 1 2 【4 1 ，已并非难事。 s c 切谐振器除了具备a t 切谐振器的特点外，其幅频特性比a t 切谐振器好， 且幅度系数比a t 切小一个数量级，这意味着其激励可比a t 切高一个数量级。因 此s c 切可承受较强的激励，在保证老化率指标的前提下，可获得较好的短稳。s c 切谐振器的频率温度系数小，在零温度系数点附近，s c 切的静态温度系数比a t 切小一个数量级，而动态温度系数比a t 切小两个数量级，这就降低了谐振器对温 2 基丁：应力处理方法的温度补偿晶体振荡器的研究 度的敏感性，对提高谐振器的长、短稳都有好处。典型s c 切晶体谐振器的基频和 三次泛音的频率一温度特性如图1 2 所示【1 3 】。 - 4 ( i3 5 一蚂。1 1 。- - g ” ，8 1 1 ：n l4 04 1 1 i i i i h ”弭一一 t e m p e r a t u r e o c j 图1 1 典型a t 切晶体谐振器频率温度特性 ! 嗡川一 图1 2 典型s c 切晶体谐振器基频和三次泛音频率温度特性 第一章绪论 1 1 石英晶体谐振器及其相关特性 3 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 3 所剥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。 一y x x 憝湃 长义 图1 3 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( x ) 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( x ) 或者机械轴( y ) 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 4 所示，各切型如图1 5 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，就是按臼- 3 5 。2 1 ( 基波) 或p - 3 4 。一3 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。 4 基丁应力处理方法的温度补偿晶体振荡器的研究 z 图1 4 晶体片切角的定义 z y y x 图1 5 常用切型示意图 晶体片加工好后，两面镀上电极并装架将引线引出就可以作为谐振器使用， 如图1 6 所示。谐振器被封装在金属或者玻璃的外壳内，壳内通常被抽成真空或充 以惰性气体。 第一章绪论 i u 搬【j l ，j 照比 披人侨的j l l ! 饭- j l 线 娥n 戈栉缦 足摊 外在 描脚 5 图1 6 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： 丘一2 7 x 1 0 3 l r 】、 式中l 是晶体的相应尺寸参数，以m 计，厶以h z 计。按照上式，如果l = 1 0 0 k n z ， 则l = 2 7 c m 。如果厶= 1 0 m h z ，则l = 0 2 7 m 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 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。 石英晶体谐振器可以用图1 7 ( a ) 所示的等效电路来表示。等效电路中的c 0 为晶 体片与金属电极板构成的装架电容；l q 与c q 为压电谐振的等效参数；心为振动时 摩擦损耗的等效电阻。图1 7 ( b ) 是等效电路的电抗频率特性。 6 基于应力处理方法的温度补偿晶体振荡器的研究 感性 工 塑，。 o诼j ( a ) 等效电路( b ) 电抗一频率特性 图1 7 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厂o ，由。，c q 组成的串联谐振电路决定 ，o 2 司雨1 ( 1 - 2 ) 并联谐振频率凡，则由、c 叮及c o 组成的并联谐振电路决定 f 。| 1 ( 1 3 ) 五手丘旦2 c ( 通常q ( 1 4 ) 厶一一。a 、 口 c o )、 印鲁一瓦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。 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剧4 1 1 7 l ： a 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 第一章绪论 7 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 一+ 1 0 5 ，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 x 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：1 1 】【1 2 】【1 6 】 a 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 x l 0 。7 月到l x l o q 月； ， 后期，连续工作1 之个月后，老化率可以减少至( 1 3 ) x 1 0 。9 月到 ( 1 3 ) x 1 0 。1 0 j q 。 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： i k i 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 , 4 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5m h z 或2 5m h z 精密晶体，当晶体电流从7 5 p 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 5x 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 8 基于应力处理方法的温度补偿晶体振荡器的研究 一般的2 5 m h z 和5 m h z 高精密晶体振荡器的激励电平小于7 0u a 。 四、其它 除此之外，一些外界因素也对频率稳定度有一定的影响： 电源电压的变动：一般都是快速变化，这种变化引起了晶体管静态工作点的 移动、晶体管内部参数的变化以及振荡电压的变化，导致了频率的变化。 负载的变化：负载的变化引起了振荡电路相位变化以及动态工作点的移动， 从而导致频率的变化。 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【4 】等多种类型，其频率稳定度涵盖了1 0 。4 1 0 。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lp p m 到0 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1p 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1 1 7 儿2 5 1 ：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 0 ) 以及微机补偿晶体振 荡器( m c x o ) 。 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1 4 1 。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 第一章绪论 9 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 1 0 所示。 晶 熟敏 体 l 电阻 振 立 荡t 补偿 网络 器 图1 1 0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 1 1 所示。 u n c o m p e n s a t e d 人么，7二、，7、!二 歹7、if，一，7、72三、r 蚰恤姗c l 黜 图1 1 1t c x o 补偿前后频率温度特性 可以有如图1 1 2 所示的补偿电压的网络。图中，碍、辟：和辟，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碍，阻值较大，往往因为高阻系列元件 少，而不能满足。( b ) 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。 品至0：、分gf若 1 0 基于应力处理方法的温度补偿品体振荡器的研究 f 7 _ l fb 图1 1 2 典型的补偿网络 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一温度稳定度约为_ l x l 0 一， 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( 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 1 3 所 示。 图1 1 3 典型数字温补晶振框图 在5 5 ( 2 - - - + 8 5 1 2 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 第一章绪论 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，模拟信号被转变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1 0 习 - 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 8 ，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 4 显示了补偿前后振荡器的频率温度曲线1 2 j 。 4 r 1 0 8 6 j 2 o 2 - i - 6 - 8 - 1 0 三，一g i n 训c o r p o r a t e z 一。- 1 二：二：二二 三下二二7 卫t c 不o i s - 。c i 2 6 。ct 8 0 。c 图1 1 4d 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 一，优于d t c x o ，其短期频率稳定度也优 于d t c x o 。 微机补偿晶体振荡器的框图如图1 1 5 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。 图1 1 5 最初的m c x o 框图 1 2 基于应力处理方法的温度补偿晶体振荡器的研究 1 3 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 o 。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【2 0 】如图1 1 6 所示。 图1 1 6 新型t c x o 的结构框图 j 呗 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 第一章绪论 1 3 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 础上获得更好的补偿精度。这些集成化的t c x 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n + 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1p 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 o 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1 0 倍左右使得在集成化的t c x o 的1 1 0 。0 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 本文所提出的基于应力处理方法的温度补偿晶体振荡器，其特性在很大程度 上受到生产工艺的影响，下面介绍一下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。 图1 1 7 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 1 4 基于应力处理方法的温度补偿晶体振荡器的研究 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墨1 ，分选后标注标准面。 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 1 0 砂磨至1 5 丝；如果毛片厚度在3 5 丝以下，一般则直接用一台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 0k i - i z 频差将晶体片分档，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f ； 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 0p 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 下烘烤4 d 时左右，而后转入下一道工序。 第一章绪论 1 5 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( 包括标称频率兀、等效电阻尺等) ，调频精度可控制在- t - 1 0p p m 以内。 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、谐振电阻尺、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。 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 绍。 1 6 基丁府力处理方法的温度补偿晶体振荡器的研究 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可行性及设计原理。 第四章详细介绍了基于应力处理的温度补偿晶体振荡器的实验过程及结果。 第五章主要阐述了应力补偿温补晶振的优点和意义，并分析了目前所取得的 成果的不足，最后对应力补偿晶振设计的改进提出了一些建议。 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。 第二章石英晶体振荡器的力一频特性和温一频特性 1 7 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。 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，参见图1 1 ；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 1 所示： f r e q u e r 斜 d d v i a 啪 ( p p m ) ?谚飞n 铋 。硝 ， 婚一 一， 姆j l 0 7 ( | 小 | 、 tl 多 | | | | | | | | | b 乌| 1 j | | | l - i q i 啪- 4 0 - 2 0 0 + 2 0m棚+ 0 0 + 1 0 0 t e r n l a e r 蹦u r e “c 图2 1 常用切型石英谐振器频率温度特性曲线 2 1 1 石英晶体谐振器的热学性质 一、石英晶体的线膨胀系数 物体的长度( 或宽度、厚度) 随温度变化而产生热胀冷缩的现象，称为线膨 胀。反映这一性质的系数，称为线膨胀系数。石英晶体是各向异性体，它的线膨 胀系数与方向有关。沿晶体坐标轴石、y 和z 方向的线膨胀系数q 、口：和为1 4 】 口l - 口f d + 2 a f 2 ) ( 丁一r o ) + 3 a a ) ( 丁一瓦) 2 口2 口5 d + 2 口：2 ( 丁一瓦) + 3 口? ( 丁- t o ) 2( 2 1 ) 口38 6 口”+ 2 a 2 ) ( 丁一r o ) + 3 口3 ( r t o ) 2 式中，瓦为参考温度：仃一瓦) 表示参考温度为时的长度；口。( f f b i b 1 , 2 ，3 ) 表示 参考温度为时的级线膨胀系数。由石英晶体在不同参考温度下的一级、二级和三 1 1 1 2 2 2 3 o 旨； 竹 加 1 8 基于应力处理方法的温度补偿晶体振荡器的研究 级线膨胀系数的数值，我们可以看出： ( 1 ) 石英晶体沿x 轴和y 轴的线膨胀系数相同。这表明在z 平面上各方向的 热学性质( 包括热传导) 完全相同。 ( 2 ) 石英晶体沿z 轴的线膨胀系数不等于沿x 轴和y 轴的线膨胀系数，即x 平 面或y 平面是各向异性面。 ( 3 ) 参考温度瓦不同时，线膨胀系数也稍有不同。 ( 4 ) 石英晶体的一级线膨胀系数远大于二级和三级线膨胀系数，可近似认为 线膨胀系数等于一级线膨胀系数，即 口tia ，la j l ) i 口5 1 ) a 3 一口d 从而使问题大为简化。 二、石英晶体的