陶瓷諧振器也就是我們常說的陶瓷晶振,石英晶振,石英晶體振蕩器與陶瓷晶振相比體積更小,無需調整,起振時間更快速,成本相對更低.下面億金電子給大家介紹陶瓷諧振器各項參數的應用說明

封裝：陶瓷諧振器帶有標準的單列直插式封裝（ZTA,ZTB和ZTT）,或者帶有內置電容器的3引腳（ZTTS,ZTTCV）.

性質：陶瓷諧振器的振蕩取決于與其壓電石英晶體結構相關的機械諧振.這些材料（通常是鈦酸鋇或鋯鈦酸鉛）具有較大的偶極子運動,這通過施加的電場引起晶體的變形或生長.

石英晶振的市場發展前景可觀,只要是電子產品就少不了用到晶體元件,盡管晶振產品應用再廣泛,在選用一款晶振的時候還是會遇到很多的問題,相信不少晶振銷售也遇到過很多這樣的情況.下面是億金電子整理的一些有關晶振會遇到的問題,更多歡迎咨詢億金電子銷售部.

1.壓電石英晶體單元指的是什么呢?

壓電石英晶體單元是一種電子元件,用于頻率控制、濾波和時鐘控制.它由一個裝有電極的石英諧振器組成,封裝在一個密封的封裝中,它提供了與電路的某種連接方式.壓電石英晶體單元通常稱為“晶體”.

2.采購一款石英晶振產品需要知道哪些信息呢?

所需的最小信息是Holder或包、頻率和相關(串聯諧振,或并聯諧振時的負載電容).具體可以咨詢億金電子銷售人員0755-27876565.

   TXC晶振是臺灣知名頻率元件生產制造商,擁有先進的儀器設備以及生產理念.明白市場所需,與時俱進所生產石英晶振,貼片晶振,石英晶體振蕩器具有超小,超薄,精度穩定,低損耗等優勢特點.

    臺灣TXC晶振中文名稱晶技晶振,是國內廣大用戶指定晶振品牌.TXC生產石英晶振,有源晶振,具有1.8V~5V電壓供應不同領域用戶選擇.TXC石英晶體高超的生產技術,一流的服務,優秀的團隊是對客戶最有力的保障.

通過調節激光器的三個激光參數,來改變石英晶振頻率微調量,從而在不剝落晶振晶片表面電極層的前提下,達到最大頻率微調量。三個參數分別為:電流,頻率和Q脈沖寬度。

電流與石英晶振微調量之間的關系

固定頻率為5KIHz,Q脈沖寬度為50微秒,改變電流從10安到19安來測頻率微調量。

調節激光器的電流和激光掃描時間到適當的值,是可以實現對石英晶振,貼片晶振進行頻率微調的。雖然實驗中微調的量最小也是kHz數量級,但從兩組數據中可以看出只要電流和掃描時間調節的得當,進行幾Hz~幾百Hz數量級的頻率微調也是可行的,亦即實現晶振ppm級的頻率精度。

其次,從實現數據中可以看出頻率微調量在掃描時間固定的情況下,并不是與激光電流完全成正比;而在激光電流固定的情況下,也不是與掃描時間完全成正比的。這一方面可能與表面銀層對于激光的反射作用有關,大量的激光束被銀層反射回去,沒能用于對表面電極層進行氣化,只有通過加大激光電流的辦法來加強對表面的轟擊。但這樣一來很容易造成頻率微調量過大,超出了想要的頻率微調數量級的現象。

另一方面可能與整個石英晶振激光頻率微調實驗進行的環境有關。整個激光頻率微調實驗完全在大氣環境下進行,受激光掃描而氣化的分子受大氣中的分子顆粒的散射作用,重新返回晶振晶片表面,堆積在表面其他地方。這樣實際上晶振晶片的質量并沒有減小,由 Sauerbrey方程:

可知質量沒有改變就不會對石英晶振頻率產生微調,因而網絡分析儀就測量不出頻率的變化。這樣實驗時就會繼續加大激光電流或是增加激光照射或掃描時間。而這樣是不對的。因為實際上氣化過程在頻率真正得到改變前就已經發生了,只是石英晶振晶片總質量沒有改變從而不會對頻率產生影響。當增強后的激光照射在晶片表面時,有可能電流過大,穿透表面銀層,產生與圖3.5類似的情形,造成實驗失敗。

此外,從實現數據可以看出,激光掃描電流和激光掃描時間兩個參數并不是獨立作用的,并不是增加或減少其中的一個就可以直接影響晶振頻率微調量的。因而需要兩個參數相互配合,在實驗的基礎上達到一個最佳平衡點。

從實驗中可以推斷,除了激光掃描電流和激光掃描時間兩個參數外,還有其它的參數影響著實驗結果。如:氣壓,氣溫,甚至激光掃描路徑。因而需要大量、反復的實驗來找出這些關系,進而找到實現精確石英頻率微調的最佳方案。

運用不同的工藝方法,對石英晶振進行頻率微調,以不同參數的激光產生不同的微調量和微調效果。通過拍攝SEM照片,來研究在不同的激光參數和條件下,激光對于石英晶振表面及內部的改變和損傷情況。共分五種情況對激光刻蝕損傷進行研究。

1.直接刻蝕石英晶振片表面。

2.以大電流刻蝕石英晶振表面銀電極層,使其產生肉眼可見的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計無法讀出刻蝕后的頻率值。

3.以適當的激光參數刻蝕石英晶振表面銀電極層,并無明顯的刻蝕痕跡,頻率微調量在50ppm,其他電性能參數改變量均小。

4.以刻蝕圖形的方法對石英晶振表面銀電極層進行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層外層圓環,頻率微調量達l000pm。

5.以刻蝕圖形的方法對石英晶振表面銀電極層進行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層半邊圓,頻率微調量達2300ppm。

以下為石英晶振實驗結果分析

1.直接刻蝕石英晶振片表面

在電流為11A,激光頻率為10KHLz,Q脈沖寬度為10s的條件下,直接對石英晶振片進行環狀刻蝕。刻蝕示意圖如圖4.7所示。

圖中虛線所示為激光刻蝕的軌跡,可見激光全部作用在石英晶振片本身,而不是其表面的銀電極層上。經刻蝕,貼片晶振,石英晶振片的頻率從10.0268376MHz,上升為10.0268780MHz,頻率微調量為404pm。這樣做的目的,是為了觀察當激光直接作用于晶片本身的時候,會對晶片產生怎樣的影響。

通過電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.8所示。

從圖中可見,被激光刻蝕后的區域,石英片表面平整,形貌良好,并未對下面石英晶體產生損傷。部分晶體被激光刻蝕掉后由于大氣中分子的散射作用,重新落回到晶片表面,覆蓋在原晶片上。

2.以大電流刻蝕貼片晶振,石英晶振表面銀電極層,使其產生肉眼可見的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計無法讀出刻蝕后的頻率值。

在電流為14A,激光頻率為10KHz,Q脈沖寬度為10ys的條件下,對石英晶振片表面銀電極層進行刻蝕?？涛g圖形及示意圖分別如圖4.9、4.10所示。

在14A的激光電流刻蝕下,晶片表面刻蝕區域的電極層被損壞,出現了肉眼可見的較大范圍內明顯剝落痕跡。至使頻率計無法讀出其諧振頻率,石英晶片停振。

通過電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.11所示。

如圖所示,圖中左半邊銀電極層清晰可見,均勻的覆蓋在石英表面。而右半邊銀電極層被激光刻蝕剝落,被剝落處銀電極層與貼片晶振,石英晶振混在一起,界線模糊。并且剝落已經損傷到石英晶振本身。損傷延伸至2000m深度。

晶振是為電路提供基準頻率信號源的一種頻率元件,在前面的文章中億金電子有提到過關于石英晶振晶片的選擇,晶振刻蝕的影響,晶振片的生產材料等信息,那么下面要給大家說的是利用石英晶振作為微力傳感器的分析講解.

在非接觸測量模式中,微懸臂是要靠壓電驅動器進行AC驅動來做小幅的振動,隨著其進一步的發展,人們把目光開始轉向壓電材料,當石英等材料受到應變時會產生電荷,而當在這些材料上施加電場時,其幾何尺寸就會發生變化,這種現象被稱為壓電效應I18。1990年IBM公司GrutterP等提出了可以將微懸臂粘附在雙晶片之間以產生穩定性很好的高頻振蕩信號,從而對由于力梯度的作用下懸臂的形變信號進行頻率調制,通過解調就可以獲得表面形貌,研究顯示了在固定帶寬的情況下,靈敏度可提高2倍以上。

1991年TR.Albrech等采用在片層壓電材料表面刻蝕出針尖來取代傳統的用si材料做成的微懸臂201。由于壓電材料能將機械振動特性的變化直接轉化為電荷變化,因此不需要激光測微儀,但用其制作的微懸臂品質因數Q值(約200)較低,使得分辨率有待提高,而且在片層壓電材料表面刻蝕出針尖的成本太高。因此必須使用一種高品質因數的壓電材料的傳感器以提高信噪比。

使用針式傳感器的想法在1988年就產生了,當時因為測量集成電路的需要,研究人員曾經試圖模仿傳統的輪廓儀,將一個針尖制作成圓弧半徑可達nm級,這樣就可以突破一些物理極限,如光的波長,以獲得大約相當于光波長的百分之一的測量精度。但是這需要解決兩個問題:針尖的制備和測量相互作用力。1988年,P.Gunther等人探討了使用石英音叉晶振作為傳感器的可能性，將音叉的一個角作為針尖逼近樣品表面,音叉的幅值和頻率會隨著逼近距離的變化而變化,證明了使用石英晶振作為傳感器,是一個很有希望的發展方向。1993年,K.BARTZKE等研制出了第一臺這樣的針式傳感器并將它用于AFM的測量中,其針尖的制備使用了機械蝕刻金剛石的方法為了檢測針尖和樣品之間的接觸,針尖被固定在一個高靈敏度的1MHEZ桿狀晶振上,晶振的諧振參數的變化可以被相應的電路檢測出來。

1995年, A Michels等報道了將晶振作為掃描近場聲顯微鏡的探針的研究。將1MHZ桿狀晶振的尖角作為針尖以45°角與樣品逼近,將晶振受到的阻尼信號作為測量距離的信號得到物體表面的形貌圖。其垂直分辨率達到了50nm,水平分辨率達到了200nm,是介于傳統的輪廓儀和SFM之間的一種儀器24。隨著研究的進一步深入,研究者開始探討將針式傳感器作為其他類型顯微鏡的應用。M. Todorovic等在1998年報道了一種使用音叉作為傳感器的磁力顯微鏡。在石英音叉的一支腳上粘附一個經過磁化的非常細小的針尖,即可構成磁力傳感器。石英音叉晶振的腳只有2mm長,200um厚,100um寬,彈性常數只有200N/m,只有傳統的AFM儀器的十分之-。針尖是電化學腐蝕鎳絲的方法制作的,針尖的安裝保證了音叉的彈性常數和Q值不發生大的變化。

國內這一領域的工作開展的比較晚,1997年,計量科學研究院與西德的合作項目中首次使用了這一技術,之后我們實驗室也在這一領域進行了跟蹤研究,并獲得了初步的結果。

從上述發展歷程可以看出,使用貼片晶振,石英晶振作為針式傳感器,到目前其測試精度并沒有達到很高,但是由于其成本低廉,易于獲得,性能穩定,在測試方法上具有獨到的優勢,因此是一個很有前途的發展方向,隨著研究的進一步深入,它的測量精度有可能進一步提高,這對于工業界和實驗室來說,是一個性價比很高的測量儀器,對于科學試驗和工業應用都具有很大的價值。

石英晶振是一種頻率元件，為電路提供基準信號頻率。隨著智能科技的發展，晶振的發展腳步也在不斷加快。關于晶振的作用和晶振分類，以及石英晶振在不同產品中的應用原理大家可以到前面的文章中查看。下面億金電子要給大家介紹的是石英晶振參數的變化可以被相應的電路檢測出來，因此我們做了以下分析。

1995年, A Michels等報道了將晶振作為掃描近場聲顯微鏡的探針的研究。將1MHZ桿狀晶振的尖角作為針尖以45°角與樣品逼近,將石英晶振受到的阻尼信號作為測量距離的信號得到物體表面的形貌圖。其垂直分辨率達到了50nm,水平分辨率達到了200nm,是介于傳統的輪廓儀和SFM之間的一種儀器24。

隨著研究的進一步深入,研究者開始探討將針式傳感器作為其他類型顯微鏡的應用。M. Todorovic等在1998年報道了一種使用音叉作為傳感器的磁力顯微鏡。在音叉表晶的一支腳上粘附一個經過磁化的非常細小的針尖,即可構成磁力傳感器。石英音叉的腳只有2mm長,200um厚,100um寬,彈性常數只有200N/m,只有傳統的AFM儀器的十分之-。針尖是電化學腐蝕鎳絲的方法制作的,針尖的安裝保證了音叉的彈性常數和Q值不發生大的變化。

國內這一領域的工作開展的比較晚,1997年,計量科學研究院與西德的合作項目中首次使用了這一技術,之后我們實驗室也在這一領域進行了跟蹤研究,并獲得了初步的結果。

從上述發展歷程可以看出,使用石英晶振,貼片晶振作為針式傳感器,到目前其測試精度并沒有達到很高,但是由于其成本低廉,易于獲得,性能穩定,在測試方法上具有獨到的優勢,因此是一個很有前途的發展方向,隨著研究的進一步深入,它的測量精度有可能進一步提高,這對于工業界和實驗室來說,是一個性價比很高的測量儀器,對于科學試驗和工業應用都具有很大的價值。

從上述可知,現有的基于微懸臂的掃描磁力顯微鏡存在種種不足。鑒于此, 本文想研制出一種采用新型傳感器的結構緊湊的掃描磁力顯微裝置,以達到高的測量穩定性、準確性和具有納米尺度的測量分辨率。由此,該儀器的研究成功,可在下面幾個方面起到促進作用。

首先它可用于磁記錄工業中的質量檢驗控制中。例如對光盤制造進行超微觀檢測。另外對磁記錄位的大小及分布等進行高分辨率的檢測。再次,可用于對生物樣品磁觸覺細菌內亞微米磁疇顆粒進行直接觀察及對單個細菌細胞內磁矩的定量研究。

采用離子刻蝕進行晶振頻率微調,在刻蝕后晶振的頻率會發生偏移。這會使頻率調整精度低于真空蒸著頻率調整法。如圖4-4所示,離子刻蝕后石英晶振頻率會產生偏移,縱軸表示與目標頻率的偏差,單位是pm。在刻蝕前,石英晶振的頻率相對于目標頻率是負的。在調整時,一邊用測頻系統測定石英晶振的頻率,一邊用離子束照射石英晶振的電極膜, 電極膜被刻蝕,頻率隨之升高。當刻蝕停止后,會出現頻率下降的現象。刻蝕剛停止的幾秒內,頻率下降較快,隨后下降會漸漸變緩,最后趨于穩定,不再變化。這種離子刻蝕后頻率偏移的原因比較復雜,其原因之一是因為離子刻蝕時對晶振晶片產生的熱應力。其理論依據比較深奧,在此不做討論。本文主要通過實驗,找出頻率偏移的規律,對石英晶振進行離子刻蝕加工時設定合適的參數,使得這種偏移在實際應用中產生盡可能小的影響。

現在用AT方向切割的石英晶片做成的石英晶振進行實驗,用離子束對晶片進行刻蝕,統計出蝕刻速度與頻率偏移的聯系。

實驗對象:A品種的石英晶振使用的晶片是長方形,尺寸為長1996u±3u,寬1276u±2a,晶片厚度為62.04u。目標頻率為26.998380MHz。晶片先用昭和真空生產的磁控濺射鍍膜機SPH-2500進行鍍膜,為了提高鍍層密著性,先鍍少量的鉻膜, 然后按頻率要求鍍銀膜,總膜厚約為1.73u。使得在離子束刻蝕加工前的頻率與目標頻率的差為2000ppm~300ppm之間。

實驗設備:離子束刻蝕頻率微調機使用昭和真空生產的SFE-6430T。離子槍的加速鉬片到晶片表面的距離為25mm,氬氣流量為0.35SCCM。

首先,進行較大刻蝕速度對石英晶振,貼片晶振進行刻蝕的實驗,測得偏移量。如表4和圖4÷5所示當刻蝕速度在1000ppm/s到2000ppm/s的范圍,離子刻蝕后的偏移量隨著刻蝕速度的增加而有很大的升高。如當刻蝕量為2000ppm時,頻率偏移量山刻蝕速度為1000ppm/s的35.8ppm快速增長到刻蝕速度為2000ppm/s的89.8ppm。當刻蝕量為3000ppm時,頻率偏移量便會超過100pm。此外,從圖4-5中可以看出,在同一刻蝕速度下,刻蝕后的頻率偏移量還會隨刻蝕量的增加呈線性升高。

其次,進行較低刻蝕速度對石英晶體,石英晶體諧振器進行刻蝕的實驗,測得偏移量。如表4-2和圖4-6所示,與高速時的情況類似,刻蝕速度增加時,刻蝕后的偏移量也會隨之增加。并且,在同一刻蝕速度時,刻蝕后的偏移量也隨刻蝕量的增加而線性增大。從圖表中可以看出,刻蝕速度減小后,刻蝕后的偏移量也會減小很多。當刻蝕速度減小到80ppm/s時,刻蝕量為200pm時,刻蝕后偏移量僅為2.5pm。如果進一步控制刻蝕量,當刻蝕量降到100ppm時,刻蝕后偏移量僅為0.2ppm,基本接近于0。因此在實際生產時,如果能將刻蝕速度控制到80pm/s,刻蝕量控制在100pm以下, 晶振的離子束刻蝕后的頻率偏差較大,且公差范圍較小,為了減少離子束刻蝕后頻率偏移產生的影響,提高產品的精度,可以采用3段加工模式,但是生產效率會有所降低)。

晶振離子刻蝕兩段加工模式如圖4-7所示,首先進行H段加工,用高的刻蝕速度和大的刻蝕量,從加工前頻率開始加工,等加工到設定的中間目標頻率后停止刻蝕,一段時間后,由于離子刻蝕后的晶振頻率偏移的影響,使頻率下降,回到L段加工前頻率。接著進行L段加工,用低刻蝕速度和小刻蝕量,從L段加工前頻率開始加工,等加工到設定的最終目標頻率后停止刻蝕,一段時間后,出于離子刻蝕后頻率偏移的影響, 使頻率下降,回到實際最終頻率,當實際最終頻率在公差范圍內就為良品,加工就結束。如果實際最終頻率低于公差范圍可以作為F-不良重新加工一次。如果實際最終頻率大于公差范圍,則只能作為F+不良而報廢。

而在實際生產過程中,由于操作員缺乏相關理論知識,不能精確的對加工參數進行設定。使得加工的產品會因為刻蝕速度過快,產生較大的頻率偏移,或直接產生F+。而刻蝕速度太低不僅會降低加工的效率,當時間超過設備的監控時間后,就會直接出現F-不良。

例如,在實際應用中,因為操作員沒有系統的理解以上理論知識,當A品種的石英晶振在進行離子刻蝕微調時,發現頻率分布整體偏低,接近20ppm。因為擔心現F-不良,希望將整體頦率調鬲。此時應該確認是否是因為H段加工時的速度太慢, 導致L段加工前的頻率過低。使得在進行L段加工時,時間過長,超過了設備的監控時間,而強制停止L段加工。

而操作員沒有經過確認就主觀的將最終日標頻率調高, 發現頻率略有上升,但仍然偏低。就調高L段的刻蝕速度,剛開始有一定效果,但是沒有達到理想狀態,就繼續調高L段刻蝕速度,此時不但沒有效果,反而因為速度太高,刻蝕后的頻率偏移使得頻率有略微的下降。并且出現因刻蝕速度的太高而產生的F+不良(如圖4-8)。因為沒有專業技術繼續調整,并且認為不良品數量不多,為了趕快完成當日產量,就繼續加工制品。此時,因為H段的刻蝕速度低,影響加工效率, 并由于F+的出現,增加了產品的不良數。

圖4-8各參數設置不良時離子刻蝕后頻率偏移的頻率分布表

為了解決這一問題,本文通過前幾節的知識和實驗數據,制定標準的參數。首先將最終晶振頻率設定在0pm。然后為了將L段加工的頻率偏移盡可能減少,就將L段的刻蝕速度設定為80ppm/s。為了控制L段的刻蝕量在100pm左右,將中間目標頻率設定在-45pm,H段加工速度設定為1600ppm/s,這是H段加工后的結果在50ppm~-0ppm之間,加上刻蝕后的頻率偏移使得L段加工的刻蝕量在-100pm120ppm之間。

按這樣的設定既可以保證L段加工的效率,也可以控制L段加工后的頻率偏移。使得最終實際頻率以晶振頻率為中心分布。將上述方法設定的參數作成作業標準書如圖4-9所示,讓作業員遵照執行。圖4-10是按此作業標準操作,對制品加L后的頻率分布。山圖中可以看出頻率是以日標頻率為中心分布的,并且分布比以前集中,也沒有不良出現。因此,本論文提出的方法可以提高產品的合格率。

晶振離子刻蝕頻率微調技術及生產工藝報告

1.頻率微調方法

石英晶振的頻率是由石英晶振晶片的厚度以及電極膜的厚度決定的,為此,當調整此厚度就可以調整石英晶振的頻率。石英晶振的制作過程是先將石英晶片從石英晶體上按一定角度切下,然后按一定尺寸進行研磨,接著在晶片兩面涂覆金屬電極層,此時與目標頻率相差2000ppm~3000p0m,每個電極層與管腳相連與周圍的電子元器件組成振蕩電路,隨后進行頻率微調,使其與目標頻率的差可以減少到2ppm以下。最后加上封裝外殼就完成了。

石英晶振的頻率微調是對每個石英晶振邊測頻率,邊調整電極膜的厚度。使頻率改變,達到或接近目標頻率。電極膜厚的調整方法主要有兩種,真空蒸著法和離子束刻蝕法。

真空蒸著法是在石英晶振晶片的電極膜上用加熱蒸著的辦法繼續增加電極膜的厚度, 達到調整頻率的目的。這種方法結構簡單,易于控制。缺點是在石英晶振晶片表面產生多層電極膜,并且密著度會變差,當石英晶振小型化時,會使原來的電極膜和調整膜的位置發生偏移,使石英晶振的電氣性能降低。

離子刻蝕頻率微調法,是用離子束將電極膜打簿,調整石英晶振的頻率。因此,不會產生多層電極膜,也不會有電極膜和調整膜的位置偏移,石英晶振的電氣性能也不會降低。

2.離子刻蝕頻率微調方法

圖4-1是基于離子刻蝕技術的頻率微調示意圖,離子刻蝕頻率微調方法,當照射面積小于2~3mm2,在beam電壓低于100V以下就可獲得接近10mA/cm2的高電流密度的離子束,離子束的刻蝕速度在寬范圍內可進行調節。圖中采用的是小型熱陰極PIG型離子槍,放電氣體使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圓筒狀的陽極周圍安裝永久磁石,使得在軸方向加上了磁場這樣的磁控管就變成了離子透鏡, 可以對離子束進行聚焦。

熱陰極磁控管放電后得到的高密度等離子,在遮蔽鉬片和加速鉬片之間加高達1200V高壓后被引出。并且可以通過對熱陰極的控制調整等離子的速度。用離子束照射石英晶振,石英晶體的電極膜,通過濺射刻蝕使得頻率上升米進行頻率微調。在調整時,通過π回路使用網絡分析儀對石英貼片晶振的頻率進行監控,當達到目標頻率后就停止刻蝕,調整結束。

因為石英晶振與π回路之間用電容連接,離子束的正電荷無法流到GND而積聚在石英晶片上,使石英晶片帶正電荷。其結果不僅會使頻率微調速度降低,而且使石英晶片不發振,無法對石英晶振的頻率進行監控和調整。為此,必須采用中和器對石英晶片上的正電荷進行中和。

在進行離子刻蝕頻率調整時,離子束對一個制品進行刻蝕所需的時間為1~2秒, 而等待的時間約2秒,等待時間包括對制品的搬送和頻率的測量時間。在等待時間中, 是將擋板關閉的。如果在這段時間內,離子槍繼續有離子束引出,則0.5mm厚的不銹鋼擋板將很快被穿孔而報廢。為此,在等待時間內,必須停止離子槍的離子束引出。

可以用高壓繼電器切斷離子槍的各電源,除保留離子槍的放電電源(可維持離子槍的放電穩定)。這樣,在等待時間沒有離子束的刻蝕,使擋板的使用壽命大大增長。同是,出于高壓繼電器的動作速度很快,動作時間比機械式擋板的動作時間少很多,所以調整精度也可得到提高。

3.離子束電流密度

在圖4-1中,為了提高操作性,簡化自動化過程中的參數設定,只對beam電壓和放電電流進行控制,而放電電壓和Ar流量保持不變,加速電壓取beam電壓的20%。

圖4-2表示的是在不同的beam電壓下,隨著放電電流的變化,石英晶振的電極膜處(與離子槍加速鉬片的距離為25mm)所測得的電流密度。從圖中可以知道,對于不同的beam電壓,放電電流變化時,都有相對應的放電電流使得電流密度達到最大。本文說所的晶振離子刻蝕頻率微調就是采用了各不同beam電壓時的最大電流密度進行的。當設定好調整速度后,根據計算決定beam電壓,然后根據該電壓下最大的電流密度計算出放電電流。

4.離子刻蝕頻率微調加工工藝

晶振離子刻蝕頻率微調加工工藝與真空蒸著頻率微調有相似處也有不同處。首先,兩種頻率微調方法都必須在高真空環境下進行,因此在加工前都必須確認真空腔的真空度是否達到要求,一般都要求在1×103Pa以上。其次還必須確認真空腔的水冷設備沒有漏水現象,使用的真空泵需要用真空油時還要確認真空腔內沒有被油污染。接著還要保證石英晶振,石英晶體諧振器上沒有灰塵或臟污等異物附著,為了有效的控制異物,加工環境最好是5000級以下的凈化空間。離子刻蝕頻率微調加工除了要注意以上要求外,還必須注意到離子刻蝕后數秒內頻率的偏移問題,這個問題將直接影響到生產效率和合格率。

晶振作為測量元件時的重要性能參數

石英晶振本身具有很多性能參數,除了前面所提及的串聯諧振頻率、并聯諧振頻率外,還有制造公差、拐點溫度等,已經有很多文獻對此作了論述但對于測量來說,選用石英晶體的重要原因是因為它的高頻穩定性和極小的振幅。所以本文只對晶體的品質因數、頻率一電流特性、頻率一溫度特性進行了論述。

  晶體的品質因數Q是晶體的最重要參數。在一定程度上,當其他條件相同時,Q值越高晶體振蕩器的頻率穩定度越高,石英晶振晶體的品質因數Q是由晶體的動態參數決定的,即：

其中ω為測試系數。

晶振的品質因數通常不作規定,對于標準部件,Q值通常在20000-200000之間,精密晶體可高達5×10°,這比傳統的微懸臂的Q值要高100-1000倍。

石英晶體諧振器的頻率一電流特性,就是激勵電平和諧振頻率的關系,它是由石英晶振的物理特性決定的。激勵電平通常以晶振的耗散的功率、流過晶振的電流以及晶振兩端的電壓來量度,晶振電流的變化使其串聯諧振頻率發生交化。石英晶振的諧振頻率相對變化與晶振電流的關系,可以用下面的近似關系表示：

其中D是振的電流常數

從上述關系式可以看出,當激勵電平增大時,產生了以下影響:(1)頻率產生了漂移,長期穩定性變壞。石英晶振晶振的彈性常數發生了變化,因此引起了頻率的漂移,隨著晶振的激勵電流增高,晶振的頻率穩定性顯著下降。(2)晶振溫度增加。當晶振的激勵電平過高時,使得石英貼片晶振被加熱到熱平衡的溫度也引起了頻率變化。(3)產生了寄生振蕩。(4)等效電阻加大。內部分子運動加劇,使得等效電阻加大,Q值下降。

在實際測量中,當激勵電流過大時,石英貼片晶振振蕩的幅值過大,導致測量的精度下降,同時不易控制樣品表面與針尖之間的距離,所以一般不能采用較高的激勵電流。但是激勵電平也不能過小,否則由于噪聲電平的限制,使瞬態穩定性變壞,這樣獲得的圖像質量就比較差。

晶振的另外一個值得注意的參數是晶振的頻率一溫度特性,所謂晶振的頻率一溫度特性就是石英晶振的諧振器的頻率隨溫度變化而變化的特性。晶振的工作溫度變化時,晶格變形,從而使得其串聯諧振電路發生變化。石英晶體諧振器在溫度較窄的范圍中,具有較小的溫度系數,這就是說頻率受溫度的變化的影響比較小。但隨著溫度變得較低(<50°C)和變得較大時(>80°C)時,石英諧振器的頻率隨著溫度的變化有較大的變化。在國外的文獻中已經有報道將晶振放在真空、低溫、強磁場的環境下進行測量,這時晶振的頻率將與常溫時有

明顯的不同,而且石英晶體諧振器切型不同,晶振頻率的變化方向也不同,所以在實驗室應該對測試溫度和環境加以控制。同時由于測試環境的變化,如何保持儀器的穩定性, 也是一個值得注意的問題。

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石英晶振主要用在電路中作穩頻元件。為了克服傳統的掃描探針顯微鏡在應用中的不足,本文采用石英晶振作為微力傳感器來取代傳統的微懸臂和位移檢測裝置。而石英晶振有兩個優點：

1、壓電效應,從而使石英晶振免去了中間轉化環節,形成一個獨立的直接和即時的微力測量單元。

2、空氣中極高的品質因素,從而使最小可測力梯度減小,傳感器的靈敏度提高。

2.1晶振作為測量元件的物理特性研究

石英晶體是六棱柱而兩端呈角錐形的結晶體,其化學成分是Si02,下圖所示是石英晶振晶體的坐標軸系：

通常將通過兩頂端的軸線稱為光軸(Z軸),與光軸垂直又通過晶體切面的六個角的三條軸線稱為電軸(X軸),與光軸垂直又和石英晶振晶體橫切面六邊形的六個邊垂直的三條軸線稱為機械軸(Y軸),X軸、Y軸、Z軸統稱為晶體的坐標軸系。在同一方向上,石英晶振晶體的性質是完全相同的。

石英晶體是一種各向異性的晶體,它具有正壓電效應。沿某一機械軸或者電軸施加壓力,則在垂直于這些軸的兩個表面上就產生了異號電荷,其值與機械壓力產生的機械形變成正比,若施以張力,則表面上的電荷與受壓時的符號相反。造成這種結果的原因是貼片晶振,石英晶振晶體的晶格在壓力下變形,導致電荷分布不均勻。石英晶體還具有逆壓電效應,如果在石英晶體兩個面之間加一電場,則晶體在電軸或機械軸方向上就會延伸或壓縮,延伸或壓縮量與電場強度成正比。

如果將石英晶體置于交變電場中,則在電場的作用下,貼片晶振晶體的體積會發生周期性的壓縮或拉伸的變化,這樣就形成了晶體的機械振動,晶體的振動頻率應等于交變電場的頻率,在電路中也就是驅動電源的頻率。當石英晶體諧振器振動時,在它的兩表面產生交變電荷,結果在電路中出現了交變電流,這樣壓電效應使得晶體具有了導電性,可以視之為一個電路元件。石英晶振晶體本身還具有固有振動頻率,此振動頻率決定于晶體的幾何尺寸、密度、彈性和泛音次數,當石英晶振晶體,有源晶振的固有振動頻率和加于其上的交變電場的頻率相同時,晶體就會發生諧振,此時振動的幅值最大,同時壓電效應在石英晶振晶體表面產生的電荷數量和壓電電導性也達最大,這樣石英晶體諧振器,石英晶振晶體的機械振動與外面的電場形成電壓諧振,這就是石英晶體作為振蕩器的理論基礎。

石英晶體的電氣特性可用圖中所示的等效電路圖來表示,由等效電阻R1、等效電感L1和等效電容C1組成的串聯諧振回路和靜態電容Co并聯組成,靜態電容C0主要由貼片晶振,有源晶振,石英晶體的尺寸與電極確定,再加上支架電容組成。等效電感L1和等效電容C1由切型、石英晶體片和電極的尺寸形狀來確定。等效電阻R1是決定石英晶振Q的主要因素,是直接影響石英晶體諧振器工作效果的一個重要參數。R1不僅由切型、石英晶體片形狀、尺寸、電極決定,而且加工條件、裝架方法等對其影響也很大。因此,同一型號,同一頻率的若干產品其Q值也相差很大。

在等效電路中,L1和C1組成串聯諧振電路,諧振頻率為:

通常石英晶體諧振器的阻抗頻率特性可用圖2.3表示。此處忽略了等效電阻R1的影響,由圖可見,當工作頻率f時,晶體呈容性;當工作頻率在f0與f之間時,晶體呈感性;當工作頻率f>f時,晶體又呈容性。晶體在晶體振蕩器主振蕩級的振蕩電路呈現感性,即工作頻率在f于f之間。

恒溫晶振(OCXO)介紹

恒溫晶體振蕩器OCXO( Oven Controlled Crystal Oscillator),是目前頻率穩定度和精確度最高的石英晶體振蕩器。它在老化率、溫度穩定性、長期穩定度和短期穩定度等方面的性能都非常好,作為精密的時頻信號源被廣泛用于全球定位系統通信、計量、頻譜及網絡分析儀等電子儀器中。目前,絕大多數高穩定度石英晶體振蕩器都采用了將晶體恒溫的方法,使用精密的恒溫控制槽,將槽內溫度調節到晶體諧振器的零溫度系數點上。這樣,能最大限度地克服溫度對晶體振蕩器頻率的影響,被廣泛用作標準頻率源。恒溫晶體振蕩器包括以下幾個基本組成部分。

1.高精密的石英諧振器

石英諸振器是振蕩電路的核心元件。正確選擇切角是制作頻率溫度系數好的石英諧振器的必要條件,特別是在寬溫度范圍內使用的石英晶體諧振器更是如此。目前恒溫晶體振蕩器中常用的石英諧振器有AT切和SC切兩種。它們具有頻率溫度系數小,Q值高,老化效應小等特點。

2.穩定的振蕩電路

由于恒溫晶體振蕩器要求頻率穩定度高,除了在控溫電路方面要達到一定的控溫精度外,振蕩電路本身穩定性也是起決定性作用的。恒溫晶體振蕩器中振蕩電路的基本功能就是把直流電能轉變成具有一定頻率、幅度且頻率高度穩定的交流電能,這種轉換是在石英諧振器的參與下進行的。其中最突出的問題就是頻率的穩定性。所以分析、設計振蕩電路都以此為前提。

3.結構完善、溫控良好的精密恒溫箱

精密恒溫箱是由恒溫槽,溫度控制電路及其它輔助裝置組成的恒溫系統。在晶體振蕩器中,用來使石英諧振器和有關電路元件保持恒溫。其作用是把石英晶振,石英諧振器的溫度穩定在石英諧振器的拐點溫度處,從而充分發揮拐點溫度附近石英諧振器的頻率溫度系數小的特性,使其得到合理使用。設計一個符合要求的恒溫槽和選擇一個性能良好的溫度控制電路對穩定頻率起著舉足輕重的作用。因此一個高穩定的晶體振蕩器,不但應具有穩定的振蕩電路,而且還必須有性能良好的恒溫箱來保證其頻率的穩定,兩者缺一不可。隨著對晶體振蕩器穩定度要求的逐步提高,對恒溫箱的控溫精度要求也越來越高,目前,頻率穩定度在100~10量級的晶體振蕩器,其恒溫箱的溫度控制精度應在0.001℃以內。

隨著通信技術的不斷提高,對恒溫晶振的要求越來越高,使其不斷向著高精度與高穩定化,低噪聲與高頻化、低功耗、快啟動、小型化方向發展。

晶振的相關數學定義

假設晶振輸出信號為正弦波,其數學模型可以表示為:

式中VO為標稱峰值輸出電壓,§(t)為幅度偏移,φ(t)為相位偏差,fr為標稱頻率。

瞬時頻率為:

相對頻率偏移為：

式中x(t)=為時間偏差,由式(2-7)可以得到：

瞬時頻率的常用公式為:

式中f(t)為t時刻的瞬時頻率值,fO為t=0時刻的頻率值,fr為標稱頻率,D(t)為頻率漂移率。

由式(2-7)和(2-9)可推導出:

式中,y為初始相對頻率偏差。

由式(2-8)和(2-10)可以得到:

式中,x為初始時間偏差,也叫做同步誤差。

一般性能比較好的石英晶振,日老化率近似為常數,特別是對于OCXO晶振,在頻率保持模式下,我們只考慮老化對實際頻率的影響。很多晶振的老化指標用的是年老化率,如±0.05ppm( Part per Million),一般情況下我們可以近似得出日老化率, 大概為年老化率的百分之一。

假設晶振老化率為常數,式(210)變為：

其中當|Bt|<<1時,有ln(Bt+1)→Br,式(2-17)變為式(2-12)的形式:

y(t)=C+ ABt                              式(2-18)

圖2.4給出了典型的老化率數學模型?？梢钥闯?b>石英晶振的老化率可以為正數可以為負數,也可能會產生圖中曲線y3(t)的情況。圖2.5為銣原子頻標的老化曲線,由于測試曲線的后半段存在參考和被測之間因漂移方向相同的現象,從而導致漂移問題不是很明顯。

式中,do、d為正數,參數aj(n),j=1,2,…,M由當前數據輸入和上次數據輸出迭代估計得到,價值函數為

通過最小化價值函數,可以得到參數a,(n),j=1,2,…,M,得到t(n)時刻的ao a1…aM后,t(n+l)時刻的相對頻率偏差預測值為:

系列實驗表明,估計性能對d0、d和M的取值不是很敏感,建議取值為d=1~05d(M-1),d=0.1~1.0,M=5~10。加權對數函數模型的缺點是計算比較復雜。

2.2.4晶振的頻率溫度特性

除過老化的影響,溫度也是影響頻率變化的主要因素,而不同切型的晶體的頻率一溫度特性是不一樣的,一般AT切基頻晶體的頻率一溫度變化關系都是三次曲線,存在若干個零溫度系數點,如圖2.6所示。

因此對其進行溫度補償時要采用具有非線性函數擬合能力的數學模型。然而由于OCXO恒溫晶振中一般采用SC切晶體,雖然其頻率一溫度變化曲線也是非線性的, 但是其頻率一溫度穩定度在寬溫度范圍內較AT切晶體有很大改善,并且由于它將石英晶體、振蕩電路以及部分其它線路置于精密恒溫槽中,恒溫槽的工作溫度選擇在所用晶體的零溫度系數點處,因此OCXO恒溫晶振的頻率溫度系數非常小。當恒溫槽的工作溫度波動被控制在很小范圍內時,如優于百分之一攝氏度時,其頻率溫度變化也可以被限制在很小的范圍內,而且正是由于這種恒溫作用,其頻率溫度變化曲線非常接近于線性。所以對OCXO恒溫晶振的頻率溫度變化的預測可以采用線性數學模型, 而Kalman濾波算法正是一種較好的線性模型估計器,因此用它來擬合OCXO恒溫晶振的頻率溫度特性曲線是合適的。

科技的發展讓電子元器件的市場不斷上漲增值，加大電子元器件使用量的同時對其功能性以及尺寸等方面也有了諸多要求。比如石英晶振，貼片晶振，石英晶體振蕩器，滿足市場需求從大體積8045晶振到1612晶振，尺寸改小了，技術加強，使用性能也提高了不少，在高端智能產品中具有低功耗，高穩定精度，重量輕等優勢特點。億金電子技術工程師下面給大家介紹石英晶振的可靠性質以及設計分析報告。

A型石英晶振的組成

A型石英晶振結構比較簡單,由底座、PCB電路板、元器件、晶體、外殼五部分組成,根據這些零部件的功能分析,可以得到A型晶振的可靠性框圖, 可靠性框圖見圖3-4

4.22A型石英晶振的可靠性要求

A型石英晶振的可靠性指標要求如下:

(1)石英晶振在工作n年內不發生致命故障

(2)石英晶振n年內總的工作時間不低于:t=n×365×24。

(3)石英晶振的可靠度為0.95:即Rs=0.95。

4.2.3A型石英晶振的可靠度計算

可靠度是指產品在規定的條件和規定的時間內,能正常完成規定功能的概率,通常用R表示。根據對A型石英晶振的結構分析,可以看出A型石英晶振為串聯結構,可靠度計算公式如下:

RS=R1×R2×R3×…·×Rn                       公式(4-1)

A型石英晶振由四部分組成:底座、電路板、元器件、晶體、外殼。A型石英晶振可靠度計算公式如下:

RS=R1×R2×R3×R4×R5                  公式(4-2)

式中:R、R2、R3、R4、R5分別代表底座、電路板、晶體、元器件、外殼的可靠度。

4.24A型石英晶振的可靠性預計

可靠性預計,顧名思義指的是對石英晶振產品在規定的工作條件下進行可靠行估計也就是根據類似產品的經驗數據或組成該產品的各單元的可靠性數據,對石英晶振產品給定工作或非工作條件下的可靠性參數進行估算。

可靠性預計的意義主要有:

(1)為產品設計階段的可靠性設計提供依據

(2)為產品的維護階段提供有價值的信息。

3)站在可靠性設計的角度,篩選設計方案,尋找最佳設計方案。

(4)為改進設計方案提供理論支持。

可靠性預計的方法主要有上下限法、元件計數法、相似產品法、應力分析法評分法、故障率預計法、性能參數預計法。根據W公司實際情況,本文采用應力分析法對石英晶振進行可靠性預計。因為A型石英貼片晶振的主要部件的故障率均可通過供應商得到,所以本文采用應力分析法。采用GJB/Z299C-2006預計手冊。故障率預計法的計算公式為:

4.2.5A型石英貼片晶振的可靠性分配

石英晶振可靠性分配指的是將整個系統的可靠性指標分配給各個組成部分,是將可靠性指標總整體到局部,從上到下進行分配的過程?？煽啃苑峙溆幸韵乱饬x:將石英貼片晶振產品的整體可靠性指標進行分配,分配到產品的下級組成部分,可以使每個組成分的可靠性設計指標更加準確細致,便于可靠性設計人員進行分析。

貼片晶振可靠性分配方法主要有 AGREE分配法、拉格朗日乘數法、比例分配法、評分分配法、復雜度分配法、動態規劃法、重要度法、直接尋查法。

本文采用 AGREE分配法對A型石英晶振進行可靠性分配, AGREE分配法將整體的每一個組成單元的復雜度和重要度納入到可靠性分配中。 AGREE方法的核心是:失效率的分配和整體的各個組成單元的重要度和復雜度有關,組成單元越重要,分配的失效度就應該越高。相反,組成單元的重要度越高,分配的失效度就應該有所減少。也就是說,分配給每個組成單元的失效度是加權的,加權因子C與組成單元復雜度成正比,與組成單元的重要度成反比。

單元或子系統的復雜度的定義為單元中所含的重要零件、組件(其失效會引起單元失效)的數目Ni(i=1,2.n)與系統中重要零、組件的總數N之比,即第i個單元的復雜度為：

假定設備的壽命符合指數分布,則可靠度為:

單元或子系統的重要度的定義為該單元的失效而引起的系統失效的概率。其表示為考慮裝置的重要度之后,把系統變成一個等效的串聯系統,則系統的可靠度Rs可以表示為考慮裝置的重要度之后,把系統變成一個等效的串聯系統,則系統的可靠度Rs可以表示為：

考慮裝置的重要度之后,把系統變成一個等效的串聯系統,則系統的可靠度Rs可以表示：

式中：

Wi —為系統的失效率

Ki —產為單元的復雜度

晶振英文名為Crystal,它是時鐘電路中最重要的部件,它的作用是向顯卡、網卡、主板等配件的各部分提供基準頻率,它就像個標尺,工作頻率不穩定會造成相關設備工作頻率不穩定,自然容易出現問題.由于制造工藝不斷提高,現在石英晶振的頻率偏差、溫度穩定性、老化率、密封性等重要技術指標都很好,已不容易出現故障,但在選用時仍可留意一下晶振的質量.

有源晶振是采用石英晶體的振蕩器,它的精度很高,而且能產生非常穩定的頻率,穩定性也要好于分立元件式振蕩器.在作用上來看,可以說晶振是各板卡的“心跳”發生器,人的“心跳”如果亂了就會生病,同樣,如果電腦板卡的“心跳”亂了同樣會出現各種怪故障.