基於溫度傳感材料應力補償晶體頻率溫度特性的方法

2023-07-21 07:01:31 1

專利名稱：基於溫度傳感材料應力補償晶體頻率溫度特性的方法
技術領域：
本發明涉及晶體諧振器頻率補償方法，具體是一種基於溫度傳感材料應力補償晶體溫度頻率特性的方法。
背景技術：
晶體振蕩器已被廣泛應用於通信、郵電、航空航天、國防軍工、電子技術和儀器儀表等技術領域。主要用作這些方面的眾多設備的時鐘或標準頻率源。隨著科技的不斷進步，人們對晶體振蕩器的頻率—溫度特性及體積、功耗、成本的要求越來越高。現有的溫度補償晶體振蕩器的頻率—溫度補償方法幾乎全是根據晶體器件的頻率—溫度特性，用線路處理的方法進行補償，即用模擬、數字或者微機進行處理，產生對晶體振蕩器的補償電壓來補償頻率的變化。一般情況下，用模擬補償的方法，在-50℃～+85℃的範圍內，可獲得頻率—溫度穩定度為±1-2ppm的晶體振蕩器，其精度較低；而採用數字和微機補償的晶體振蕩器的頻率—溫度穩定度雖高但價格高、功耗大。目前國內採用微機補償的AT切晶體振蕩器，在-50℃～+85℃的範圍內頻率—溫度穩定度可以達到±0.5ppm以上。由於採用上述的線路補償方法補償的晶體振蕩器結構比較複雜，體積大、功耗高、成本高，難以滿足近年來科技發展尤其是手機和其它移動通信領域發展的需要；也難以適應溫補晶體振蕩器市場的競爭。如我國目前的手機用的溫補晶體振蕩器幾乎100％的靠進口解決。

發明內容
本發明的目的在於克服現有技術之不足，提供一種基於應力處理晶體溫度—頻率特性的補償方法。利用晶體器件的頻率隨加於其上的應力而變化的特點，來補償溫度對頻率所產生的影響，以構成新一代的溫度補償晶體振蕩器。
實現本發明的技術方案是，採用真空鍍膜的方法，將對溫度敏感的傳感材料如雙金屬材料，鍍在晶體諧振器的晶體片上，或者將單一熱脹冷縮傳感材料鍍在晶體的電極上，形成雙金屬電極。當溫度變化時，通過傳感材料的變形，產生施加於晶體的應力，補償晶體自身隨溫度變化所產生的頻率變化。進行應力處理的補償時，以溫度傳感材料的零應力點溫度為參考點，選擇晶體片切角所對應的接近線性的頻率—溫度特性頻率段進行補償，當溫度偏離零應力點下降時，傳感材料變形，施加在晶體上的應力隨之增大，引起晶體的頻率減小，拉動晶體改善溫度—頻率特性。
本發明僅採用溫度傳感材料的應力補償晶體頻率，就可在-50℃～+85℃或更寬的溫度範圍，使晶體的頻率—溫度特性達到±1ppm。可以滿足大多數晶體振蕩器的精度要求。對於精度要求更高的晶體振蕩器，可在進行溫度傳感材料應力補償晶體頻率的基礎上，輔以單片機、或者常規的模擬或數字處理線路等補償措施，使晶體振蕩器的頻率—溫度特性達到±0.2ppm，甚至更高。而本發明的補償線路則比通常所用的線路更加簡單。
本發明利用晶體的力—頻特性和溫—頻特性相互補償的關係來創造新的高性能的溫度補償諧振器。其方法是將對溫度敏感的傳感材料直接固定在諧振器的晶體或晶體電極上，在溫度變化的條件下，用溫度傳感材料產生的應力所引起的頻率變化補償晶體頻率隨溫度的變化。本發明所採用的應力補償方法從原理上根本上不同於現有技術所採用的線路補償的模式，是一種全新的補償方法。它大大簡化甚至省略了溫度補償的各種線路，所構成的晶體振蕩器結構簡化，精度高、體積小，成本低及功耗小。尤其要指出的是，現有的溫度補償晶體振蕩器幾乎全部採用了基頻晶體而不是泛音晶體進行頻率補償。其原因是基頻晶體的可拉動性好。但是，其穩定性和老化特性卻比較差。泛音晶體雖然穩定性和老化指標明顯好於基頻晶體，但是泛音晶體的頻率很難用現有技術的方法進行較寬頻率的拉動，所以很難用在壓控和溫度補償晶體振蕩器中。目前國外性能最好的溫度補償晶體振蕩器都是採用穩定性好而拉動性差的(如泛音等)晶體做成的溫度補償晶體振蕩器。由於這種晶體的穩定性很好和可拉動性很差，它的輸出頻率是通過頻率合成的方法得到的。這樣的振蕩器通常用於軍品上，其價格相當昂貴，用現有技術的線路補償方法根本解決不了其性能和價格相矛盾的難題。而採用本發明的應力處理的方法，則能夠滿意地解決這個問題。並且得到比現有技術的溫度補償晶體振蕩器更好的頻率—溫度特性、相位噪聲特性、頻率穩定度和老化特性。正是因為高穩定的泛音等晶體仍然在較窄的頻率範圍內具有可拉動調節的特性，當需要更高的精度時，可在使用應力處理的基礎上，僅在很窄的頻率範圍，再採用簡單線路處理的方法調節，就能夠實現進一步獲得更高精度的效果。本發明用簡單的應力補償方法，可以獲得良好的溫度補償的效果，所以特別適合於對溫度補償晶體振蕩器的大批量、高精度的生產，再與簡單的線路補償技術結合，能夠進一步提高這類振蕩器的起點和總體水平。對於所佔比例相當大的普通溫度補償晶體振蕩器而言，由於去掉了線路控制部分，其短穩指標和相位噪聲特性更好。必將在該應用領域獲得巨大的經濟效益。


圖1a是本發明溫度傳感材料固定在晶體片上的示意1b是本發明溫度傳感材料固定在電極上的示意2是晶體和晶體振蕩器的頻率—溫度特性3是本發明應力補償後的晶體振蕩器的頻率—溫度特性4是本發明經應力補償後的新線路框5是現有技術的溫補晶振線路框圖具體實施方式
下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
本發明根據振蕩器的頻率隨著施加於其上的應力的變化而變化的特點，採用溫度敏感器件影響加於晶體諧振器上的應力大小，來補償晶體振蕩器的頻率隨溫度的變化。而晶體和晶體振蕩器的力—頻效應就是當諧振器受應力作用時，它的諧振頻率隨之會發生改變。這個應力可以由外力、加速度和振動、電極變形、晶體的支撐或其它的因素而引起。隨著施加力的增加，晶體的振蕩頻率的變化也增大，力減小頻率的變化也隨之減小。下面是具體的晶體頻率增量與其所受應力變化的關係式f=Kff2nDF---(1)]]>式中Δf-諧振器的頻率增量；
Kf-諧振器的拉氏係數；f-諧振器的諧振頻率；n-諧振泛音次數；D-諧振器的直徑；ΔF-應力變化。
從(1)式可以看出晶體的頻率變化受諧振器的頻率、直徑以及諧振次數等因素的影響。但對同一個晶體來說，Kf、f、n、D都是常量，此時晶體的頻率變化與其所受應力的變化在理論上成線性關係。雖然還有一些表達晶體的頻率變化與加與其上的應力變化的表達式和(1)式可能有差別，但是力—頻之間的線性變化關係是一樣的。
本發明將溫度傳感材料直接鍍在晶體諧振器的晶體片上，或者鍍在晶體片的電極上。當溫度發生變化時，晶體和晶體振蕩器的總體頻率—溫度特性會根據晶體本身的頻率—溫度特性和其力—頻特性的綜合作用結果而發生變化，也就是隨著溫度變化先使溫度傳感材料產生形變，由於該材料和晶體的緊密聯結，使得晶體本身承受應力變化而引起其頻率發生變化。補償的目的是使由應力所引起的頻率變化必須與晶體本身隨溫度產生的頻率變化相互抵消。
在圖1a中，本發明是把隨著溫度變化而產生明顯的熱脹冷縮形變的溫度傳感材料3用鍍膜的方法鍍在晶體片2上。在圖1b中，將溫度傳感材料3用鍍膜的方法鍍在晶體的電極1上。通過溫度傳感材料3的形變，產生作用於晶體片2或電極1相應部位的應力。本發明選擇隨溫度的形變較為靈敏的銅—鎳、鋁—鋼、銅—鋼、銅—鋁等雙金屬材料作為溫度傳感材料3。採用二次真空鍍膜法將將雙金屬傳感材料3直接鍍在晶體片2上。如果要將溫度傳感材料3鍍在晶體電極1上，由於本發明的晶體電極1一般為金屬鋁電極或金電極，可選擇熱脹冷縮變形明顯的單一的金屬材料鍍在晶體電極1上，形成雙金屬傳感材料3。譬如，當晶體電極1為鋁電極時，則採用真空鍍膜方法，將另一種金屬材料銅或鋼蒸鍍在電極1上，可形成鋁—鋼或鋁—銅雙金屬傳感材料晶體電極；當電極1為金電極時，則鍍金屬鋁構成金—鋁雙金屬傳感材料晶體電極。通過雙金屬電極1的變形力，改變晶體片2的頻率隨應力變化。
如圖2所示，晶體和晶體振蕩器的頻率—溫度特性根據晶體的加工角度不同而不同，主要是三次曲線或與此相似的特性。
從圖2中的曲線得出，當晶體的切角不同，隨溫度的升高，可以使晶體的頻率—溫度特性曲線在大多數溫度範圍內出現正斜率和負斜率的兩種變化。根據圖2的曲線，選擇晶體的切角，可以用(1)式中的應力對頻率的影響理論模型完成簡單的線性補償。在進行應力補償過程中，要合理選擇零應力點的溫度。所謂零應力點就是在一個特定的溫度點，溫度傳感材料3處於一個相對無形變的狀況，當高於或低於這個溫度，溫度傳感材料3都會發生形變而產生對晶體片2的應力。僅從線性補償的目的出發，零應力點應該選擇在晶體2工作溫度範圍的一個邊沿上，同時，又常常要照顧到晶體2本身的零溫度係數點。從晶體的加工工藝方便性出發，零應力點常常選擇在高溫點。為了獲得補償效果，晶體2的主要的頻率—溫度特性段可以是負特性。也就是隨著溫度的下降頻率值變大。為此，本發明按照這個特性來選擇晶體片2的切角。這樣，當溫度偏離零應力點下降，則溫度傳感材料3施加給晶體片2的應力隨著增加，因此將晶體2的頻率逐漸下拉。就使得晶體2原本的負頻率—溫度特性曲線段改善成較為平坦的特性曲線。只要晶體片2的切角、溫度傳感材料3應力補償的效果等能得到很好的配合，就能獲得相當優良的頻率—溫度特性。
本發明應力補償晶體頻率—溫度特性實施例本發明典型地選擇頻率—溫度特性曲線段為負特性的晶體切角條件進行頻率補償。在溫度為85℃左右的真空條件下，將雙金屬鋁—銅或鋁—鋼直接鍍在晶體片2一邊沿處，如圖1a所示。或在晶體的鋁電極1上鍍一層銅或鋼膜。鍍層形狀與鋁電極1形狀相同，(或者反過來，銅或鋼在內，鋁在外)如圖1b所示。用這種方法，形成了晶體2的雙金屬鋁—銅或鋁—鋼電極。當溫度從雙金屬傳感材料3的零應力點溫度85℃下降至-50℃的過程中，晶體2上或電極1的雙金屬傳感材料3鋁—銅或鋁—鋼變形，產生施加於晶體2的應力，使該晶體振蕩器在圖2中的頻率—溫度特性曲線逆時針旋轉變化，使頻偏減小，頻率趨向標準值。獲得了如圖3所示的最接近線性變化的補償曲線。
經過本發明的補償處理，能夠明顯改善晶體和晶體振蕩器的頻率—溫度特性。可以在很寬的溫度範圍內，得到±1ppm左右的頻率—溫度特性。這種不需要經過用線路的處理方法所獲得的溫度補償晶體振蕩器的技術指標已經可以滿足絕大多數產品如手機的需要。與在同樣溫度範圍內大多數晶體的頻率溫度穩定性只能達到±幾十ppm相比，其技術指標已經有大幅度的提高。本發明也為生產高精度溫度補償晶體振蕩器提供了補償方法。在獲得上述補償的頻率—溫度特性的基礎上，僅在很窄的溫度範圍內輔以簡單的、常規的線路補償方法，就很容易獲得頻率—溫度特性高達±0.2ppm的補償精度。
用上述傳感材料也可以對泛音AT切晶體鍍膜構成電極產生好的補償效果，在初採用本發明的應力補償方法步補償的基礎上再附加簡單的補償線路，可以有效地在小範圍拉動泛音晶體的頻率，得到更好的補償效果。譬如，對頻率為38.88MHz的泛音晶體，應力補償方法可以產生不小於-1KHz的頻率變化。但是用傳統的線路調節的方法，上述泛音晶體頻率只能產生幾Hz到幾十Hz的頻率變化。這就較好地解決了穩定性好的泛音晶體頻率難以用現有技術中的線路調節補償的難題，為溫度補償類泛音晶體的應用開拓了廣闊前景。
將圖1a、圖1b和圖4與圖5進行對比，可以看出，在圖5所示的現有技術中，溫度補償晶體振蕩器主要由溫度傳感器、溫度補償線路、晶體振蕩器三部分組成，這三部分是缺一不可。由於具有溫度傳感器和溫度補償電路，使得用現有技術方法補償的晶體振蕩器具有較大體積和複雜的結構。而在本發明的應力補償中，只需要在圖1a中的晶體片2上鍍一層雙金屬傳感材料3或在圖1b中晶體電極1上鍍上單金屬傳感材料3，就可以替代圖5中的虛線框出的溫度傳感器和溫度補償線路兩大部分結構。顯而易見，由圖1a圖1b所示的本發明比圖5所示的現有技術，從結構、體積和實施方式上的變更都是非常顯著的。即使是在經應力補償後的新線路結構框圖4中，也僅在晶體之外附加了一個簡單的振蕩線路，但其總體結構、體積也大大小於圖5中的現有技術。從圖1a、圖1b、圖4可以看出，由於本發明節省了大量的補償線路，從而使晶體振蕩器的體積大大縮小，成本降低。即便是用線路的進一步補償，也是採用最簡單的線路處理措施。這也大幅度減小了對線路器件的要求，從另一方面降低了成本。
值得提出的是，晶體2常常在承受應力後會出現負頻差。所以，對晶體片2的加工要預置正頻差。這方面的工藝保證可以使批量生產中得到的晶體的整體頻率—溫度特性被大大改善。滿足一次成品的合格率達到80％以上。
通過對大量晶體的試驗證明，在晶體的零應力點的高、低溫度兩個方向上(膨脹和收縮，彎曲的方向不一樣)，頻率的變化都是向低的方向變化。可以形成以零應力點為中心的兩個方向近於折線的都向下的補償的接近線性的溫度—頻率補償特性。這樣便得到更寬的補償範圍。
權利要求
1.基於溫度傳感材料應力補償晶體頻率溫度特性的方法，其特徵在於採用鍍膜方法，將溫度傳感材料(3)鍍在晶體諧振器的晶體片(2)或晶體的電極上(1)上，當溫度變化時，通過傳感材料(3)的變形，產生施加於晶體(2)的應力，補償晶體(2)自身隨溫度變化所產生的頻率變化。
2.根據權利要求1所述的基於應力補償晶體頻率溫度特性的方法，其特徵在於以溫度傳感材料(3)的零應力溫度點為參考點，選擇晶體(2)切角所對應的接近線性的頻率-溫度特性頻率段進行補償，當溫度偏離零應力點下降時，傳感材料(3)的變形應力，拉動晶體(2)減小其本身由於溫度變化所引起的頻率變化。
3.根據權利要求1所述的基於應力補償晶體頻率溫度特性的方法，其特徵在於所述的溫度傳感材料(3)可選擇熱脹冷縮敏感的雙金屬材料。
4.根據權利要求1所述的基於應力補償晶體頻率溫度特性的方法，，其特徵在於採用溫度傳感材料(3)的應力補償晶體頻率，可在-50℃～+85℃的溫度範圍，使晶體的頻率-溫度特性達±1ppm。
5.根據權利要求1所述的基於應力補償晶體頻率溫度特性的方法，其特徵是在應力處理補償晶體頻率的基礎上，輔以常規的簡單補償線路補償，可獲得頻率-溫度特性為±0.2ppm的高精度晶體振蕩器。
全文摘要
本發明公開一種基於溫度傳感材料應力補償晶體頻率溫度特性的方法。用晶體的力頻特性和溫頻特性互補關係補償晶體振蕩器頻率。採用真空鍍膜法，將溫度傳感雙金屬材料鍍在晶體諧振器的晶體片或晶體的電極上，當溫度變化時，通過傳感材料的變形，產生施加於晶體的應力，補償晶體自身隨溫度所產生的頻率變化。採用本發明的補償方法，可在較寬的溫度範圍使晶體的頻率－溫度特性達±1ppm。在進行應力補償的基礎上，輔以常規簡單的線路補償，可使晶體振蕩器頻率溫度特性達±0.2ppm。能夠滿足更高精度晶體振蕩器的要求，本發明提高了溫補振蕩器的起點和總體水平，大大簡化甚至省略了現有技術溫度補償的各種線路，具有體積小、成本低的優點。
文檔編號H03H9/00GK1671047SQ20051004194
公開日2005年9月21日 申請日期2005年4月11日 優先權日2005年4月11日
發明者周渭, 高建寧, 宣宗強, 張雪萍, 王海, 周暉 申請人:西安電子科技大學