首頁(yè)常見(jiàn)問(wèn)題 晶振加速靈敏度會(huì)被等高線同心度影響嗎
晶振加速靈敏度會(huì)被等高線同心度影響嗎
來(lái)源：http://m.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2019年03月25
一百多年來(lái)科學(xué)家與工程師們對(duì)晶振的研究從未停止過(guò)，為了提高晶體和振蕩器的性能，做了無(wú)數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，相關(guān)的理論知識(shí)更是無(wú)法預(yù)料的多，而且大多數(shù)都是在美國(guó)，德國(guó)，英國(guó)，日本等地方被提出?，F(xiàn)在可以很輕易的查到晶體的結(jié)構(gòu)，和制造流程，但關(guān)于晶振仍有許多秘密等待我們挖掘，例如晶體的加速度靈敏度優(yōu)化方法和目的，接下來(lái)金洛鑫電子帶大家看一下。
石英晶體諧振器的加速度靈敏度的優(yōu)化幾十年來(lái)一直是諧振器設(shè)計(jì)者的一個(gè)挑戰(zhàn)性問(wèn)題。諧振器和安裝組合的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性已經(jīng)在過(guò)去的工作中得到證明，無(wú)論是理論上的還是實(shí)際的，都對(duì)加速度靈敏度有很大的影響，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)了專門(mén)的結(jié)構(gòu)。改善了表現(xiàn)。然而，對(duì)于諸如機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用，存在對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)的持續(xù)需求。
Haskell等介紹了專利的Quad Relief Mount產(chǎn)品或QRM。這使用平面安裝設(shè)計(jì)配置，其定位與諧振器元件的中心平面重合，如圖1所示。外環(huán)是剛性陶瓷結(jié)構(gòu)，牢固地附著在晶體基座上以及環(huán)和空白之間是一種基本上平面的陣列結(jié)構(gòu)，它還可以減小諧振器的靜態(tài)應(yīng)力。這種設(shè)計(jì)方法取得了優(yōu)異的性能，在某些情況下g靈敏度結(jié)果低于10-10/g，同時(shí)Q和相位噪聲仍然表現(xiàn)良好。然而，正如晶體參數(shù)的情況一樣，在每個(gè)制造組中通常存在g-靈敏度性能分布，這導(dǎo)致產(chǎn)量問(wèn)題以及生產(chǎn)調(diào)度中的不可預(yù)測(cè)性。這里報(bào)道的工作旨在找到這些異常結(jié)果的根本原因，重點(diǎn)是輪廓同心度。
圖1QRM安裝結(jié)構(gòu)
許多需要良好加速度靈敏度的實(shí)用高穩(wěn)定性諧振器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)也受到其他屬性的限制，例如高品質(zhì)因數(shù)，并且這些約束通常導(dǎo)致具有完全輪廓諧振器的低頻諧波器件元素設(shè)計(jì)。在本文中，考慮了輪廓形狀在輪廓諧振器中的石英盤(pán)上的同心度的影響，并且給出了結(jié)果，其表明從空白中心的輪廓偏移與諧振器的加速度靈敏度之間的強(qiáng)相關(guān)性。還描述了用于測(cè)量相對(duì)于盤(pán)的周邊的輪廓位置的方法。
在過(guò)去的幾十年中，晶體諧振器的加速度靈敏度（有時(shí)稱為g靈敏度）已被廣泛討論。該參數(shù)在需要良好相位噪聲的應(yīng)用中最為重要，但在器件暴露于高振動(dòng)場(chǎng)的情況下。一個(gè)很好的例子是直升機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)的頻率參考。Tiersten和Zhou等人的理論工作基本上得出結(jié)論，在諧振器元件和安裝結(jié)構(gòu)中具有完美空間對(duì)稱性的石英諧振器將表現(xiàn)出零g靈敏度。
Eernisse及其同事的理論和實(shí)踐工作提出并實(shí)施了實(shí)際的安裝設(shè)計(jì)，以近似對(duì)稱結(jié)構(gòu)，目的是實(shí)現(xiàn)低加速度引起的頻移。他們還研究了沉積在坯料表面上的精心定位的物質(zhì)的使用，以改變共振模式的位置，從而提高g-靈敏度。這種技術(shù)對(duì)于平面，高頻貼片石英晶振設(shè)計(jì)可能非常有用，但在典型的低頻，低相位噪聲設(shè)計(jì)中，空白幾何形狀必然具有輪廓，在這些情況下，電極表面上的增量質(zhì)量負(fù)載變化影響很小在模式形狀上。許多其他作者已經(jīng)討論了實(shí)現(xiàn)低加速度靈敏度的實(shí)際和理論考慮因素，包括Kosinsky和Lee。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，法國(guó)還開(kāi)發(fā)了實(shí)用的設(shè)計(jì)，采用高度復(fù)雜的BVA結(jié)構(gòu)，在諧振器元件中使用石英橋以及多個(gè)石英元件和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，為諧振器提供對(duì)稱支撐。
實(shí)驗(yàn)方法：
這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是目前制造的典型QRM諧振器類型：用于恒溫振蕩器應(yīng)用的10MHz三次諧波SC切割。該設(shè)計(jì)采用平凸空白幾何形狀，凸面上的輪廓約為1.5屈光度。不是故意制造具有已知不對(duì)稱性的單元然后測(cè)量它們的加速度靈敏度，而是使用的方法是從具有一系列性能的過(guò)去組中選擇部件。重新測(cè)量這些單元以驗(yàn)證g-靈敏度結(jié)果，然后檢查制造異常。最后，從支架上取下坯料，剝?nèi)ル姌O，以便分析輪廓。
輪廓偏移測(cè)量方法：
球形輪廓表面的幾何形狀如圖2所示。從歷史上看，由于石英晶體制造中的加工過(guò)程是從光學(xué)透鏡行業(yè)中使用的方法得出的，因此曲率半徑通常以屈光度來(lái)指定。嚴(yán)格地說(shuō)，該參數(shù)僅針對(duì)具有已知折射率的介質(zhì)定義，并且如稍后所述，對(duì)于結(jié)晶石英，折射率沒(méi)有很好地定義，因此冠狀玻璃的指數(shù)通常被替換為1.525，這導(dǎo)致關(guān)系525/其中R以mm為單位測(cè)量，D是屈光度值。
圖2輪廓幾何
了在偏移半徑r處導(dǎo)出曲率半徑R和增量厚度變化ε之間的關(guān)系，存在各種用于測(cè)量坯料周邊和輪廓表面之間的同心度的可行方法，其確定共振的模式位置。根據(jù)觀察到的幾何形狀，每種技術(shù)都有利弊，因此對(duì)本產(chǎn)品中使用的特定毛坯幾何形狀進(jìn)行了評(píng)估。
A.預(yù)電
用于測(cè)量坯料的輪廓偏移的一種可能的選擇是基于電極位置相對(duì)于坯料幾何形狀與所得到的諧振器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系。為了確定輪廓中心位置與諧振器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)電容C1之間的關(guān)系，使用Comsol Multiphysics的結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊創(chuàng)建了一個(gè)模型。顯示本研究中使用的10MHz三次諧波SC切割諧振器的位移強(qiáng)度的3D圖的示例如圖3所示。該模型設(shè)置有不同的輪廓偏移，并且C1和輪廓偏移之間的結(jié)果關(guān)系顯示在圖4是各種電極直徑。很明顯，這種關(guān)系也可以通過(guò)分析得出，但Comsol已被證明是一種非常有用的工具，可用于此類計(jì)算。
圖3具有偏移輪廓的諧振器的輪廓圖
為了使用這種方法對(duì)一組輪廓空白進(jìn)行排序，首先要檢查它們的輪廓半徑，因?yàn)檫@顯然也是一個(gè)強(qiáng)烈影響C1的參數(shù)。然后，它們將在坯料的中心準(zhǔn)確地鍍有小圓形電極，優(yōu)選地具有易于移除的電極材料，然后插入臨時(shí)安裝件中。電極的最佳尺寸取決于所分析的設(shè)計(jì)。然后，簡(jiǎn)單的運(yùn)動(dòng)參數(shù)檢查將提供工具以選擇良好的輪廓同心度，之后將電極移除然后將石英晶體諧振器重新加工成最終產(chǎn)品。
圖4各種電極直徑的C1與輪廓偏移
B.輪廓測(cè)量
可以考慮測(cè)量輪廓同心度的另一種方法是1D或2D輪廓測(cè)量，優(yōu)選地使用非接觸方法。各種方法已用于坯料的非接觸輪廓測(cè)量，例如激光三角測(cè)量或共焦型深度計(jì)。圖5中示出了來(lái)自這種系統(tǒng)的典型輸出圖，貼片晶振在這種情況下包括與圓弧的最小二乘擬合。在標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中，該擬合曲線用于計(jì)算輪廓半徑。該圖表示坯料也在輪廓側(cè)傾斜。
圖5具有擬合曲線的輪廓儀圖
在這里所示的測(cè)量中，將坯料插入具有平坦上表面和精確加工的袋的夾具中，石英盤(pán)放置在該袋中。平坦表面在圖中提供參考線，以及指示毛坯周長(zhǎng)的參考邊。在數(shù)學(xué)上補(bǔ)償參考表面的斜率之后，擬合曲線相對(duì)于凹槽邊緣的中心應(yīng)表示輪廓偏移。在實(shí)踐中，該方法不能區(qū)分輪廓偏移和坯料的物理傾斜（例如由于盤(pán)下一側(cè)的顆粒），識(shí)別空白邊緣是困難的，并且為了完全表征空白，需要多次掃描。因此，雖然它是一種潛在有用的方法，但需要考慮固有的不準(zhǔn)確來(lái)源。
C.使用石英的光學(xué)特性-雙折射
在整個(gè)SMD晶振制造中可用于各種測(cè)量技術(shù)的石英的性質(zhì)是其雙折射的各向異性光學(xué)特性，這是由具有非立方晶體結(jié)構(gòu)的所有透明介質(zhì)在不同程度上表現(xiàn)出的性質(zhì)。雙折射的特征在于折射率取決于穿過(guò)它的光的傳播方向或偏振方向。最簡(jiǎn)單的雙折射形式被描述為單軸，這意味著圍繞一個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)不會(huì)影響穿過(guò)介質(zhì)的光的通過(guò)。該單軸稱為光軸，偏振方向垂直于光軸的光稱為普通光線，其折射率為。具有平行于光軸的偏振方向的光被稱為非常光，并且其折射率被表示。石英有三個(gè)雙重對(duì)稱軸和一個(gè)三重對(duì)稱軸;這種形式的晶體結(jié)構(gòu)被歸類為具有三角對(duì)稱性，并且具有這種形式的諸如石英的材料表現(xiàn)出單軸雙折射。三重對(duì)稱軸通常表示為Z軸，這是石英的光軸。表1顯示了在可見(jiàn)光范圍之內(nèi)和之外的各種波長(zhǎng)的兩個(gè)離散折射率值。
表1不同波長(zhǎng)下石英的折射率
測(cè)量方法在通過(guò)樣品的透射中使用全光譜白光，并且在被測(cè)量的坯料的上方和下方放置兩個(gè)線性偏振濾光器。設(shè)置偏振濾光器，使偏振方向彼此成直角，使背景變暗。通常用作石英水晶振子的任何旋轉(zhuǎn)切口的板取向具有沿光軸和垂直于其的分量，因此穿過(guò)石英的光將經(jīng)歷兩個(gè)不同的速度，如兩個(gè)折射率所定義的。產(chǎn)生的效果是光的偏振旋轉(zhuǎn)，其是光的厚度和光的波長(zhǎng)的函數(shù)，并且這導(dǎo)致在透射光中觀察到一系列顏色。
每一個(gè)階段的晶振設(shè)計(jì)都不一樣，上個(gè)世紀(jì)90年代，是電視機(jī)，電話機(jī)，大哥大，廣播，游戲機(jī)流行的年代，那個(gè)時(shí)候基本都是使用陶瓷晶振比較多，例如3.58M，4M，8M之類的。然后是21世紀(jì)初，移動(dòng)手提電話的出現(xiàn)使1*4，1*5，2*6，3*8mm尺寸的圓柱晶振供不應(yīng)求。到了現(xiàn)在，貼片晶振的重要性比當(dāng)初的陶瓷諧振器和圓柱音叉晶體要重得多。
石英晶體諧振器的加速度靈敏度的優(yōu)化幾十年來(lái)一直是諧振器設(shè)計(jì)者的一個(gè)挑戰(zhàn)性問(wèn)題。諧振器和安裝組合的結(jié)構(gòu)對(duì)稱性已經(jīng)在過(guò)去的工作中得到證明，無(wú)論是理論上的還是實(shí)際的，都對(duì)加速度靈敏度有很大的影響，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)了專門(mén)的結(jié)構(gòu)。改善了表現(xiàn)。然而，對(duì)于諸如機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用，存在對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)的持續(xù)需求。
Haskell等介紹了專利的Quad Relief Mount產(chǎn)品或QRM。這使用平面安裝設(shè)計(jì)配置，其定位與諧振器元件的中心平面重合，如圖1所示。外環(huán)是剛性陶瓷結(jié)構(gòu)，牢固地附著在晶體基座上以及環(huán)和空白之間是一種基本上平面的陣列結(jié)構(gòu)，它還可以減小諧振器的靜態(tài)應(yīng)力。這種設(shè)計(jì)方法取得了優(yōu)異的性能，在某些情況下g靈敏度結(jié)果低于10-10/g，同時(shí)Q和相位噪聲仍然表現(xiàn)良好。然而，正如晶體參數(shù)的情況一樣，在每個(gè)制造組中通常存在g-靈敏度性能分布，這導(dǎo)致產(chǎn)量問(wèn)題以及生產(chǎn)調(diào)度中的不可預(yù)測(cè)性。這里報(bào)道的工作旨在找到這些異常結(jié)果的根本原因，重點(diǎn)是輪廓同心度。
圖1QRM安裝結(jié)構(gòu)
在過(guò)去的幾十年中，晶體諧振器的加速度靈敏度（有時(shí)稱為g靈敏度）已被廣泛討論。該參數(shù)在需要良好相位噪聲的應(yīng)用中最為重要，但在器件暴露于高振動(dòng)場(chǎng)的情況下。一個(gè)很好的例子是直升機(jī)雷達(dá)系統(tǒng)的頻率參考。Tiersten和Zhou等人的理論工作基本上得出結(jié)論，在諧振器元件和安裝結(jié)構(gòu)中具有完美空間對(duì)稱性的石英諧振器將表現(xiàn)出零g靈敏度。
Eernisse及其同事的理論和實(shí)踐工作提出并實(shí)施了實(shí)際的安裝設(shè)計(jì)，以近似對(duì)稱結(jié)構(gòu)，目的是實(shí)現(xiàn)低加速度引起的頻移。他們還研究了沉積在坯料表面上的精心定位的物質(zhì)的使用，以改變共振模式的位置，從而提高g-靈敏度。這種技術(shù)對(duì)于平面，高頻貼片石英晶振設(shè)計(jì)可能非常有用，但在典型的低頻，低相位噪聲設(shè)計(jì)中，空白幾何形狀必然具有輪廓，在這些情況下，電極表面上的增量質(zhì)量負(fù)載變化影響很小在模式形狀上。許多其他作者已經(jīng)討論了實(shí)現(xiàn)低加速度靈敏度的實(shí)際和理論考慮因素，包括Kosinsky和Lee。從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，法國(guó)還開(kāi)發(fā)了實(shí)用的設(shè)計(jì)，采用高度復(fù)雜的BVA結(jié)構(gòu)，在諧振器元件中使用石英橋以及多個(gè)石英元件和導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，為諧振器提供對(duì)稱支撐。
實(shí)驗(yàn)方法：
這項(xiàng)工作的重點(diǎn)是目前制造的典型QRM諧振器類型：用于恒溫振蕩器應(yīng)用的10MHz三次諧波SC切割。該設(shè)計(jì)采用平凸空白幾何形狀，凸面上的輪廓約為1.5屈光度。不是故意制造具有已知不對(duì)稱性的單元然后測(cè)量它們的加速度靈敏度，而是使用的方法是從具有一系列性能的過(guò)去組中選擇部件。重新測(cè)量這些單元以驗(yàn)證g-靈敏度結(jié)果，然后檢查制造異常。最后，從支架上取下坯料，剝?nèi)ル姌O，以便分析輪廓。
輪廓偏移測(cè)量方法：
球形輪廓表面的幾何形狀如圖2所示。從歷史上看，由于石英晶體制造中的加工過(guò)程是從光學(xué)透鏡行業(yè)中使用的方法得出的，因此曲率半徑通常以屈光度來(lái)指定。嚴(yán)格地說(shuō)，該參數(shù)僅針對(duì)具有已知折射率的介質(zhì)定義，并且如稍后所述，對(duì)于結(jié)晶石英，折射率沒(méi)有很好地定義，因此冠狀玻璃的指數(shù)通常被替換為1.525，這導(dǎo)致關(guān)系525/其中R以mm為單位測(cè)量，D是屈光度值。
圖2輪廓幾何
A.預(yù)電
用于測(cè)量坯料的輪廓偏移的一種可能的選擇是基于電極位置相對(duì)于坯料幾何形狀與所得到的諧振器的運(yùn)動(dòng)參數(shù)之間的關(guān)系。為了確定輪廓中心位置與諧振器產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)電容C1之間的關(guān)系，使用Comsol Multiphysics的結(jié)構(gòu)力學(xué)模塊創(chuàng)建了一個(gè)模型。顯示本研究中使用的10MHz三次諧波SC切割諧振器的位移強(qiáng)度的3D圖的示例如圖3所示。該模型設(shè)置有不同的輪廓偏移，并且C1和輪廓偏移之間的結(jié)果關(guān)系顯示在圖4是各種電極直徑。很明顯，這種關(guān)系也可以通過(guò)分析得出，但Comsol已被證明是一種非常有用的工具，可用于此類計(jì)算。
圖3具有偏移輪廓的諧振器的輪廓圖
圖4各種電極直徑的C1與輪廓偏移
可以考慮測(cè)量輪廓同心度的另一種方法是1D或2D輪廓測(cè)量，優(yōu)選地使用非接觸方法。各種方法已用于坯料的非接觸輪廓測(cè)量，例如激光三角測(cè)量或共焦型深度計(jì)。圖5中示出了來(lái)自這種系統(tǒng)的典型輸出圖，貼片晶振在這種情況下包括與圓弧的最小二乘擬合。在標(biāo)準(zhǔn)過(guò)程中，該擬合曲線用于計(jì)算輪廓半徑。該圖表示坯料也在輪廓側(cè)傾斜。
圖5具有擬合曲線的輪廓儀圖
C.使用石英的光學(xué)特性-雙折射
在整個(gè)SMD晶振制造中可用于各種測(cè)量技術(shù)的石英的性質(zhì)是其雙折射的各向異性光學(xué)特性，這是由具有非立方晶體結(jié)構(gòu)的所有透明介質(zhì)在不同程度上表現(xiàn)出的性質(zhì)。雙折射的特征在于折射率取決于穿過(guò)它的光的傳播方向或偏振方向。最簡(jiǎn)單的雙折射形式被描述為單軸，這意味著圍繞一個(gè)軸的旋轉(zhuǎn)不會(huì)影響穿過(guò)介質(zhì)的光的通過(guò)。該單軸稱為光軸，偏振方向垂直于光軸的光稱為普通光線，其折射率為。具有平行于光軸的偏振方向的光被稱為非常光，并且其折射率被表示。石英有三個(gè)雙重對(duì)稱軸和一個(gè)三重對(duì)稱軸;這種形式的晶體結(jié)構(gòu)被歸類為具有三角對(duì)稱性，并且具有這種形式的諸如石英的材料表現(xiàn)出單軸雙折射。三重對(duì)稱軸通常表示為Z軸，這是石英的光軸。表1顯示了在可見(jiàn)光范圍之內(nèi)和之外的各種波長(zhǎng)的兩個(gè)離散折射率值。
表1不同波長(zhǎng)下石英的折射率
每一個(gè)階段的晶振設(shè)計(jì)都不一樣，上個(gè)世紀(jì)90年代，是電視機(jī)，電話機(jī)，大哥大，廣播，游戲機(jī)流行的年代，那個(gè)時(shí)候基本都是使用陶瓷晶振比較多，例如3.58M，4M，8M之類的。然后是21世紀(jì)初，移動(dòng)手提電話的出現(xiàn)使1*4，1*5，2*6，3*8mm尺寸的圓柱晶振供不應(yīng)求。到了現(xiàn)在，貼片晶振的重要性比當(dāng)初的陶瓷諧振器和圓柱音叉晶體要重得多。
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此文關(guān)鍵字： 晶振加工技術(shù)石英晶體加速靈敏度
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