基於金屬薄膜的應力補償的溫度補償晶體諧振器的製作方法

2023-07-24 21:57:51 1

專利名稱：基於金屬薄膜的應力補償的溫度補償晶體諧振器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種晶體諧振器，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晶體諧振器。
背景技術：
晶體諧振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 鍾或標準頻率源。隨著科技的不斷進步，人們對晶體諧振器的頻率一 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 諧振器的頻率_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，產生對晶體諧振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-50TT+85t:的範闈內，可獲得頻率一溫度穩 定度為士l-2ppm的晶體諧振器，其精度較低；而採用數字和微機補 償的晶體諧振器的頻率一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切晶體諧振器，在-5(T(T+85'C的範圍內頻率-溫度穩定度可以達到土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 以適應溫補晶體諧振器市場的競爭。如我國目前的手機用的溫補晶體 諧振器幾乎100%的靠進口解決。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
3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。H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。
實用新型內容
本實用新型的目的在於克服現有技術之不足，提供一種基於金屬 薄膜的應力補償的溫度補償晶體諧振器，本實用新型基於金屬薄膜的 應力調節晶體溫度一頻率特性，利用晶體器件的頻率隨加於其卜.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 溫度補償晶體諧振器。
本實用新型所採用的技術方案是基於金屬薄膜的應力補償的溫 度補償晶體諧振器，包括晶體片(2)和晶體片上的電極(1)，晶體
片(1)沿圓周兩側或者電極(2)上設有鍍膜溫度傳感材料(3)。
本實用新型採用真空鍍膜的方法，將對溫度敏感的傳感材料鍍在 晶體諧振器的晶體片上或鍍在晶體的電極上，當溫度變化時，通過溫 度傳感材料的變形，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。
與現有技術相比較，本實用新型利用晶體的力一頻特性和溫一頻 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。本實用 新型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。採用本實用新型的應力處理的方法而得到的基 於溫度傳感材料應力補償晶體諧振器，因此能夠滿意地解決泛音晶體 進行較寬頻率的拉動，因而可以將泛音晶體用在壓控和溫度補償晶體 振蕩器中。同時解決不了其性能和價格相矛盾的難題。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。正是閔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。本實用新型用 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1是本實用新型實施例1結構示意圖。
圖2是本實用新型實施例2結構示意圖。 圖3是不同切角晶體片的頻率-溫度特性圖。 圖4是本實用新型實施例1的晶體振蕩器的頻率-溫度特性圖。 圖5是本實用新型實施例2的晶體振蕩器的頻率-溫度特性圖。 圖6是本實用新型用於溫度補償晶體振蕩器的電路原理框圖。 圖7是現有技術的溫度補償晶體振蕩器電路原理框圖。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型進行詳細說明。 本實用新型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卜.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formula see original document page 6
式中Af-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；
△F -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。
基於金屬薄膜的應力補償的溫度補償晶體諧振器包括晶體片(2) 和晶體片的電極(1)，如圖1、 2所示，將溫度傳感材料(3)直接鍍 在晶體諧振器的晶體片(2)沿圓周兩側，或者鍍在晶體片的電極(1) 卜.。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與晶體本身隨 溫度產生的頻率變化相互抵消。
當用溫度傳感材料應力對晶體諧振器的頻率進行補償時，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， 傳感材料變形產生施加在晶體卜.的應力隨之增大，引起晶體的頻率減 小，從而拉動晶體改善溫度-頻率特性。所述的溫度傳感材料可選擇 熱脹冷縮敏感的金屬材料。
在圖1中，本實用新型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2中， 將溫度傳感材料(3)用鍍膜的方法鍍在晶體的電極(1)卜.。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。本實用新型選擇隨溫度的形變相對於晶體的水晶材料較 為靈敏的銀、金、銅-鎳、鋁-銀、金-銀、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金屬溫度傳感 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)卜.，由於本實用新型的晶體電極(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，形成雙金屬溫度傳感材料(3)。
如圖3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3中的曲線得出，當晶體的切角不同，隨溫度的升高，可以 使晶體的頻率一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。
本實用新型應力補償晶體頻率一溫度特性實施例 本實用新型典型地選擇頻率一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°C左右的真空條件下，將金屬 銀、鋁直接鍍在晶體片(2)沿圓周的兩側邊沿處，正反兩面都鍍有 半環型的銀溫度傳感材料(3)，如圖l所示。或在晶體的鋁電極(1) 上鍍一層銅或鋼膜溫度傳感材料(3)。鍍層形狀為沿x軸的長條型(或 者反過來，銅或鋼在內，鋁在外)如圖2所示。用這種方法，形成了 晶體片(2)的雙金屬鋁一銅或鋁一鋼電極。當溫度從雙金屬溫度傳 感材料(3)的零應力點溫度85°C下降至-50t的過程中，晶體片(2) 上或電極(1)的溫度傳感材料(3)銀、鋁一銅或鋁一鋼變形，產生 施加於晶體片(2)的應力，使該晶體振蕩器在圖3中的頻率一溫度 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4所示的最接近線性變化的補償曲線。圖4中的1#和4#為本實用 新型實施例1應力補償後的晶體振蕩器的頻率-溫度特性圖的補償曲
7線，較之其他未補償晶體性能有明顯的改善，圖5為本實用新型實施 例2應力補償後的晶體振蕩器的頻率-溫度特性圖的補償曲線。
經過本實用新型的補償處理，不需要增加任何線路，就能夠明顯 改善晶體和晶體振蕩器的頻率一溫度特性。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 度穩定性只能達到士幾十ppm相比，其技術指標已經有大幅度的提 高。本實用新型也為生產高精度溫度補償晶體振蕩器提供了補償方 法。就是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，就很容易獲得頻率一 溫度特件高達土O. 2ppm的補償精度。
用上述溫度傳感材料(3)也可以對泛音AT切晶體鍍膜構成電極 產生好的補償效果，在初採用本實用新型的應力補償方法補償的基礎 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-lKHz的頻率變化。但是用傳統的線路 調節的方法，h述泛音晶體頻率只能產生幾Hz到幾十H7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l、圖2和圖6與圖7進行對比，可以看出，在圖7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 和壓控晶體振蕩器三部分組成，這三部分是缺一不可。而在應用本實 用新型組成溫度補償晶體振蕩器中，本實用新型可以替代圖7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。即使是在圖4中 應用本實用新型組成的溫度補償晶體振蕩器，也僅在本實用新型之外 附加了一個簡單的振蕩線路，其總體結構、體積也大大小於圖7組成 溫度補償晶體振蕩器。
值得提出的是，晶體片(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%以匕
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一頻率補償特性。這樣便得到更寬的補償範圍。
權利要求1、基於金屬薄膜的應力補償的溫度補償晶體諧振器，包括晶體片(2)和晶體片上的電極(1)，其特徵在於晶體片(1)沿圓周兩側或者電極(2)上設有鍍膜溫度傳感材料(3)。
專利摘要本實用新型公開一種基於金屬薄膜的應力補償的溫度補償晶體諧振器，包括晶體片和晶體片上的電極，晶體片沿圓周兩側或者電極上設有鍍膜溫度傳感材料。本實用新型採用晶體片的力頻特性和溫頻特性互補關係補償晶體諧振器的頻率。當溫度變化時，本實用新型通過溫度傳感材料的變形，產生施加於晶體片的應力，補償晶體片自身隨溫度所產生的頻率變化。採用本實用新型的補償方法，可在較寬的溫度範圍使晶體片的頻率-溫度特性達±1ppm，因此能夠滿足更高精度晶體振蕩器的要求，本實用新型提高了溫度補償晶體諧振器的起點和總體水平，大大簡化甚至省略了溫度補償的各種線路，具有體積小、成本低的優點。
文檔編號H03L1/02GK201341127SQ20092003182
公開日2009年11月4日 申請日期2009年1月23日 優先權日2009年1月23日
發明者關興水, 渭 周, 賈兆旻 申請人:西安華偉電力電子技術有限責任公司