恆溫控制石英晶體振蕩器的製作方法

2023-06-11 15:49:11 3

專利名稱：恆溫控制石英晶體振蕩器的製作方法
技術領域：
本發明屬於無線電技術領域，特別是帶壓電石英晶體諧振器的頻率振蕩器。
眾所周知，存在著各種不同型式的恆溫控制石英晶體振蕩器(例如1990.02.27的美國第4 985 687號專利，國際專利分類H 03 B 1/02，5/04，5/32和1990.03.27的法國第2 660 499號專利，國際專利分類H 03 B 5/32，5/04)。為了獲得達到±1×10-8的溫度穩度性，在已知的頻率振蕩器內一般使用單級恆溫電路，該電路可使振蕩器的結構最簡單、最經濟和尺寸最小。但是，為了獲得超過±1×10-9的溫度穩定性，就得使用保證恆溫控制精度極高的雙級恆溫控制電路，然而這種電路要求比較複雜而且結構體積較大(實例可見英格別爾門、弗羅姆別爾格、格拉保依(Ингберман М.И.，Фромберг Э.М.，Грабой Л.П.，)著的「通信技術中的恆溫控制」，郵電部出版社(М.，Связь，)，1979年，17頁以及高德可夫.格羅莫夫.尼基欽(Годков В.Д.，Громов С.С.，Никитин Н.В，)著的「無線電設備的恆溫控制方法綜述」，國家公用統計部出版社(М.，Гос·комстатиздат)，1979年46頁。
此外，已知按單級恆溫控制電路構造的石英晶體振蕩器，它包含一印刷電路板，其上裝有振蕩器電路元件並被置於一外部密封殼體內。同時包括其內部裝有石英晶體諧振器的恆溫器、加熱元件、溫度傳感器以及帶熱敏電橋的溫度調節器在內的全部恆溫控制電路元件，並被集中在印刷電路板的中心部分，該部分通過穿通板厚的槽縫和電路板的其他部分隔開，同時通過邊距和電路板的其他部分連接(見1995.03.06的專利文摘第2081506號，國際專利分類H 03 B 5/32，5/36)。
雖然這種振蕩器具有諸如簡單、尺寸小和經濟的明顯優點，但是它不能獲得±1×10-9數量級的溫度穩定性，其原因在於溫度場均勻性不足和保持恆溫控制溫度的精度不足。
本發明試圖解決的主要任務是製造一種恆溫控制石英晶體振蕩器，它既能保證頻率溫度穩定性高，又不需要採用雙級恆溫控制電路。
再具體的任務在於消除對石英晶體諧振器上溫度場均勻的要求和對高精度恆溫控制的要求兩者之間技術上的矛盾。因為前者要求將諧振器從熱流區中移出，即增加石英晶體諧振器和加熱器之間的距離，然而為了保證後者，又必須將溫度傳感器和加熱器儘可能地靠近諧振器安裝。除此以外，還有一個提高溫度調節精度的任務。
實施上述任務基本上是綜合利用本發明權利要求書中獨立權利要求列舉的主要特徵。
按照實施本發明的方案之一，石英晶體諧振器上溫度場所需的均勻性如同專利文摘第2081506號中得知的振蕩器所達到的那樣。在這種振蕩器中的電路板被穿通板厚的槽縫分成中心部分和周邊部分。這些部分之間又用槽縫末端上的狹窄邊距相連接。同時，在中心部分上裝有振蕩器的全部恆溫控制元件，其中包括裝有自身殼體內的石英晶體諧振器和帶加熱元件的溫度調節器。電路板安裝在外部密封殼體內。與此同時，按本發明被包含在自身殼體的所述石英晶體諧振器安裝在內殼體的底部上。該內殼體用高導熱材料製成敞開的盒狀，並且用穿過所述電路板靠近所述每個邊距的中心部分的高導熱杆固定在電路板上。此時，殼體的底部最好用一層高導熱性的膠緊貼在電路板上。加熱元件和溫度傳感器安裝在所述殼體的外側壁上。
盒敞開的一側最好用一由高導熱性材料制的薄蓋蓋住，該蓋相對於石英晶體諧振器的殼體留有一隔熱間隙。此外，按本發明的優選實施例，在伸出到電路板背面上方的所述導熱杆端部，固定一用高導熱性材料制的蓋，它相對於裝在電路板中心部分該表面上的電路元件也有一隔熱間隙。
由於上述新的特徵，從恆溫控制元件表面上任一任選點以任何可能方向散發到周圍介質的熱流途徑上，都存在一個點被隔熱間隙所選定的巨大阻熱性所隔離，從而使其溫度和所選點相差甚微。這樣一來，位於電路板中心部分上的石英晶體諧振器和電路恆溫控制元件均擺脫了熱流，位於均勻溫度場區域內，這是獲致高溫度穩定性的最重要條件之一。本發明的這一方案保證使直接來自恆溫控制元件表面上的熱損失最小，因而保證這些元件，首先是諧振器的內部溫度落差最小。
按本發明的另一方案，為了保證恆溫控制調節的高精度，在建議採用的恆溫控制石英晶體振蕩器的結構中，其電路板如專利文摘第2081506號中振蕩器那樣被穿通板厚槽縫分成中心部分和周邊部分。這些部分之間用槽縫末端上的狹窄邊距相連接。同時，在中心部分上安裝振蕩器的全部恆溫控制元件，其中包括裝在自身殼體內的石英晶體諧振器和帶加熱元件及熱敏電橋的溫度調節器，該電橋有支承臂和帶有主溫度傳感器的主熱敏臂。電路板安裝在外部密封殼體中。按本發明所述熱敏屯橋裝有帶附加溫度傳感器的附加熱敏臂，該臂通過連接電阻和帶有所述主溫度傳感器的所述主熱敏臂相連接。同時所述附加溫度傳感器位于振蕩器的任何點上，在正常的外界條件下，其溫度至少低於石英晶體諧振器的溫度0.5℃。
在結構中加入附加溫度傳感器可以將溫度調節器的結構性統計誤差降低到最小，該誤差是由於加熱器和電路恆溫控制元件相對距離較遠造成的。同時，上述石英晶體諧振器和附加傳感器的溫度差保證了有效調整溫度調節器的可能性。
在本發明的優選實施例中，上述全部任務在本發明權利要求9所述的恆溫控制石英晶體振蕩器的結構中最充分地得到了實施。權利要求9中包括了上述兩個方案的全部特徵。
本發明用附圖加以說明，其中

圖1為石英晶體振蕩器橫斷面的簡化總圖；圖2為印刷電路板的俯視圖；圖3為熱敏電橋的電路圖；如圖1所示，本發明優選實施例的石英晶體振蕩器包括一外部密封殼體1，其內固定地裝有振蕩器電路元件的印刷電路板2。電路板2的中心部分3被穿通槽縫4和周邊部分隔開，同時用狹窄的邊距5(圖2)和電路板的該周邊部分連接。在電路板的中心部分3上，集中了振蕩器電路的所有恆溫控制元件16。在外殼體1中裝有一用高導熱性材料如銅或鋁合金制的敞開盒狀內殼體6，內殼體6的底部外側緊貼在電路板2的中心部分3的下表面上。為了改善內殼體6和電路板2之間的熱接觸，最好在它們的中間加一層高導熱性膠7。內殼體6上裝有用高導熱性材料如銅製的杆8，通過它們將殼體6固定在電路板2上。杆8沿著靠近邊距5(見圖2)的中心部分3的邊緣穿過電路板2，其端頭從電路板2的中心部分3的背面伸出。位於自身殼體9內的石英晶體諧振器固定在內殼體6底部的內側，而在內殼體6的側壁上則裝有例如具有電晶體的加熱元件10和第一主溫度傳感器11。
內殼體6的敞開一側最好用一厚度不超過0.5毫米，且用高導熱性材料(最好為銅)制的薄蓋12蓋上，並用例如固定加熱元件10的螺釘固定。在諧振器殼體9和蓋12之間留有隔熱間隙。
在電路板2的中心部分3的背面配置振蕩器電路的恆溫控制元件16。在伸出到電路板2背面上方的杆8端部，最好裝上用高導熱性材料如銅製的薄蓋13。在蓋13和振蕩器電路元件16之間留有隔熱間隙。
用隔熱材料14填充外殼體1和內殼體6的內部自由空間。
在圖1和3所示本發明的優選實施例中，溫度調節器按電橋電路構成。溫度調節器的熱敏電橋包括—帶R6和R7電阻的恆定臂；—帶第一主溫度傳感器11和選配電阻R4*的主熱敏臂，該傳感器製成熱敏電阻形式，圖3上用R5表示；和—帶附加溫度傳感器15和選配電阻R1*的附加熱敏臂。該傳感器也製成熱敏電阻形式，圖3上用R2表示。附加熱敏臂通過選配連接電阻R3*和主熱敏臂連接。
附加溫度傳感器15裝在電路板2的周邊部分上。由於電路板2上有槽縫4，故保證了電路板2的中心部分3和其周邊部分之間的隔熱，這樣就保證溫度落差超過0.5℃。
按本發明的恆溫控制振蕩器按下述方式工作。從電晶體—加熱器10發出的主要熱流以下述方式通過加熱器10—殼體6的側壁—杆8—邊距5—電路板的周邊部分—外殼體1—周圍介質。由於結構具有一定的對稱性，故杆8的溫度是相同的，因而只有沿下述途徑之一通過的該部分熱流才流經殼體6的底部殼體6的底部—電路板2的中心部分3—隔熱材料14—外殼體1—周圍介質。或者沿殼體6的底部—石英晶體諧振器的殼體9—隔熱材料14—外殼體1—周圍介質。由於兩種情況下的熱流途徑上均存在隔熱材料14，故這些熱流是極微小的。蓋12和13使熱流進一步減小。
對帶這種熱敏電橋的溫度調節器工作所作的數學分析表明，當電橋調節正確時，即使在溫度調節器的統計誤差及其結構統計誤差(石英晶體諧振器和加熱器之間的溫差)達到0.5℃數量級的情況下，恆溫控制精度也可達到0.01～0.05℃。
在使用HC-37殼體中SC(可控矽)切片的石英晶體諧振器(以色列NEL公司產品)情況下，將按本發明優選實施例制的石英晶體振蕩器樣品進行試驗，獲得的結果如下
這樣一來，由於上述突出的特點，等於或大於±1×10-9數量級的頻率溫度穩定性可以在不採用雙級恆溫控制電路條件下得到保證。
必須指出，雖然以上僅對本發明一個優選實施例加以詳細說明。但要保護的內容只取決於下面本發明各項權利要求所述的，並且還包括很多發明變型，其變更可能性對於相應領域中的技術人員來說是很明顯的。例如按照互換方案之一，本發明的恆溫控制振蕩器可以只用一個包括在熱敏電橋主熱敏臂中的主溫度傳感器來實現；又如當對穩定性的精度要求適中時，可以不用高導熱性蓋12和13製成振蕩器；又如膠層7可以用其他具有高導熱性的適當材料來替代等等。
權利要求
1.一種恆溫控制石英晶體振蕩器，它包含一外殼體(1)，在該殼體中裝有電路板(2)，該電路板有中心部分(3)，其上裝有振蕩器的全部恆溫控制元件，其中包括裝在殼體(9)內的石英晶體諧振器和帶有加熱元件(10)及溫度傳感器(11)的溫度調節器；周邊部分，該部分通過穿通板厚槽縫(4)和電路板(2)的中心部分(3)分開，同時又通過槽縫(4)末端之間的邊距(5)和中心部分連接，其特徵在於，—殼體(9)內的石英晶體諧振器安裝在內殼體(6)的底部，該內殼體用具有高導熱性材料製成敞開的盒狀，並且以其底部的背面緊貼在電路板(2)的一個側面上，同時它備有高導熱性杆(8)，該杆在靠近每個所述邊距(5)的所述電路板(2)的中心部分上穿過；—加熱元件(10)和主溫度傳感器(11)安裝在所述內殼體(6)的外側壁上。
2.按權利要求1所述的恆溫控制石英晶體振蕩器，其特徵在於，盒(6)敞開的一側用一高導熱性材料制的薄蓋(12)蓋住，其相對於石英晶體諧振器的殼體(9)留有隔熱間隙。
3.按權利要求1所述的恆溫控制石英晶體振蕩器，其特徵在於，其他的恆溫控制元件(16)安裝在電路板(2)的背面上，並且在伸出到電路板(2)背面上方的所述導熱杆(8)的端部固定一用高導熱性材料制的蓋(13)，其相對於裝在電路板該表面上的恆溫控制元件留有隔熱間隙。
4.按前述任一項權利要求所述的恆溫控制石英晶體振蕩器，其特徵在於，在內殼體(6)的底部和電路板(2)之間有一高導熱性膠。
5.按前述任一項權利要求所述的恆溫控制石英晶體振蕩器，其特徵在於，溫度調節器製成熱敏電橋的形式，該電橋帶支承臂和主熱敏臂，其內包含所述溫度傳感器(11)，電橋還帶附加熱敏臂，其上帶附加溫度傳感器(15)，該附加熱敏臂通過連接電阻和帶所述主溫度傳感器(15)的所述主熱敏臂相連接，同時所述附加溫度傳感器(15)位于振蕩器的任意點上在正常的外部條件下，其溫度比石英晶體諧振器的溫度至少低0.5℃。
6.一種恆溫控制石英晶體振蕩器，它包括一外殼體(1)，其中裝有電路板(2)，該電路板有中心部分(3)，其上裝有振蕩器的全部恆溫控制元件，其中包括殼體(9)內的石英晶體諧振器和帶加熱元件(10)及熱敏電橋的溫度調節器，該熱敏電橋帶有支承臂和帶主溫度傳感器(11)的主熱敏臂；周邊部分，該部分通過穿通槽縫(4)和電路板(2)的中心部分(3)分開，同時又通過槽縫(4)末端之間的邊距(5)和中心部分連接，其特徵在於，所述熱敏電橋備有帶附加溫度傳感器(15)的附加熱敏臂，該熱敏臂通過連接電阻和帶所述主溫度傳感器(11)的所述主熱敏臂相連接，同時所述附加溫度傳感器(15)位于振蕩器的任意點上在正常的外部條件下，其溫度比石英晶體諧振器的溫度至少低0.5℃。
7.按權利要求6所述的恆溫控制石英晶體振蕩器，其特徵在於，—殼體(9)內的石英晶體諧振器安裝在內殼體(6)的底部，該內殼體用高導熱性材料製成敞開的盒狀，並且以其底部的背面緊貼在電路板(2)的一個側面上，同時它裝有高導熱性杆(8)，該杆在靠近每個所述邊距(5)的所述電路板(2)的中心部分上穿過；—加熱元件(10)和主溫度傳感器(11，R5)安裝在所述內殼體的外側壁上；—其餘恆溫控制元件(16)安裝在電路板(2)的背面上。
8.按權利要求7所述的恆溫控制石英晶體振蕩器，其特徵在於，—盒(6)的敞開一側用一高導熱性材料制的薄蓋(12)蓋住，其相對於石英晶體諧振器的殼體(9)留有隔熱間隙，—在伸出到電路板(2)背面上方的所述導熱杆(8)的端部固定一用高導熱性材料制的蓋(13)，其相對於裝在電路板該表面上的恆溫控制元件留有隔熱間隙。
9.一種恆溫控制石英晶體振蕩器，它包括一外殼體(1)，其中裝有電路板(2)，該電路板有中心部分(3)，其上裝有振蕩器的全部恆溫控制元件，其中包括殼體(9)內的石英晶體諧振器和帶加熱元件(10)及熱敏電橋的溫度調節器，該熱敏電橋帶有支承臂和帶主溫度傳感器(11)的主熱敏臂；和周邊部分，該部分通過穿通槽縫(4)和電路板(2)的中心部分(3)分開，同時又通過槽縫(4)末端之間的邊距(5)和中心部分連接，其特徵在於，—殼體(9)內的石英晶體諧振器安裝在內殼體(6)的底部上，該內殼體用具有高導熱性材料製成敞開的盒狀，並且以其底部的背面緊貼在電路板(2)的一個側面上；—內殼體(6)裝有高導熱性杆(8)，該杆在靠近每個所述邊距(5)的所述電路板(2)的中心部分上穿過；—加熱元件(10)和主溫度傳感器(11)安裝在所述內殼體(6)的外側壁上；—其餘恆溫元件(16)安裝在電路板(2)的背面上；—盒(6)的敞開一側用一高導熱性材料制的薄蓋(12)蓋住，其相對於石英晶體諧振器的殼體(9)留有隔熱間隙；—在伸出到電路板(2)背面上方的所述導熱杆(8)的端部固定一用高導熱性材料制的蓋(13)，其相對於裝在電路板該表面上的恆溫控制元件留有隔熱間隙；—熱敏電橋備有帶附加溫度傳感器(15)的附加熱敏臂，該熱敏臂通過連接電阻和帶所述主溫度傳感器(11)的所述主熱敏臂相連接，同時所述附加溫度傳感器(15)位于振蕩器的任意點上，在正常的外部條件下其溫度比石英晶體諧振器的溫度至少低0.5℃。
全文摘要
一種石英晶體振蕩器,其包含外殼體(1)、電路板(2)用內殼體(6),在內殼體底部設有位於其自身殼體(9)內的諧振器,內殼體(6)用高導熱性材料製成敞開的盒狀,其盒底緊貼在電路板(2)中心部分的一個側面上,在電路板(2)的中心部分(3)上裝有振蕩器的全部恆溫控制元件,其中所述中心部分被穿通板厚的槽縫(4)和周邊部分隔開,並且和糟縫(4)末端之間的狹窄邊距(5)連接,加熱元件(10)和主溫度傳感器(11)均被安裝在內殼體(6)的側壁上,內殼體(6)上還裝有高導熱杆(8),該杆(8)在靠近每個邊距(5)的電路板(2)的中心部分上穿過,盒(6)敞開的一側用銅製薄蓋(12)蓋住,其相對於石英晶體振蕩器的殼體(9)留有隔熱間隙,在伸出到電路板(2)背面上方的導熱杆(8)端部固定一銅蓋(13),同樣相對於裝在電路板該側面上的恆溫控制元件留有隔熱間隙。溫度調節器按電橋電路製作,並配有附加熱敏臂,該臂帶有裝在電路板(2)周邊部分上的附加溫度傳感器。
文檔編號H03H9/05GK1261994SQ98806936
公開日2000年8月2日 申請日期1998年6月30日 優先權日1997年7月9日
發明者謝爾蓋·弗拉季米洛維奇·安納斯塔斯耶夫, 亞歷山大·安納託雷耶維奇·伏爾科夫, 雅可夫·裡昂尼達維奇·伏羅克諾夫斯基, 安納託裡·伊萬諾維奇·杜賽切克, 愛杜亞特·裡昂託耶維奇·基塔寧 申請人:「黑晶」公開股份公司