晶振加速靈敏度會(huì)被等高線同心度影響嗎
來源：http://cnhxbh.com 作者：金洛鑫電子 2019年03月25
一百多年來科學(xué)家與工程師們對晶振的研究從未停止過，為了提高晶體和振蕩器的性能，做了無數(shù)次的實(shí)驗(yàn)，相關(guān)的理論知識更是無法預(yù)料的多，而且大多數(shù)都是在美國，德國，英國，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)化幾十年來一直是諧振器設(shè)計(jì)者的一個(gè)挑戰(zhàn)性問題。諧振器和安裝組合的結(jié)構(gòu)對稱性已經(jīng)在過去的工作中得到證明，無論是理論上的還是實(shí)際的，都對加速度靈敏度有很大的影響，并且已經(jīng)開發(fā)了專門的結(jié)構(gòu)。改善了表現(xiàn)。然而，對于諸如機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用，存在對進(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)量問題以及生產(chǎn)調(diào)度中的不可預(yù)測性。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。還描述了用于測量相對于盤的周邊的輪廓位置的方法。
在過去的幾十年中，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年代開始，法國還開發(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稱性的單元然后測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去組中選擇部件。重新測量這些單元以驗(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指定。嚴(yán)格地說，該參數(shù)僅針對具有已知折射率的介質(zhì)定義，并且如稍后所述，對于結(jié)晶石英，折射率沒有很好地定義，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，因此對本產(chǎn)品中使用的特定毛坯幾何形狀進(jìn)行了評估。
A.預(yù)電
用于測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.輪廓測量
可以考慮測量輪廓同心度的另一種方法是1D或2D輪廓測量，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量，例如激光三角測量或共焦型深度計(jì)。圖5中示出了來自這種系統(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（例如由于盤下一側(cè)的顆粒），識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它的光的傳播方向或偏振方向。最簡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)影響穿過介質(zhì)的光的通過。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)雙重對稱軸和一個(gè)三重對稱軸;這種形式的晶體結(jié)構(gòu)被歸類為具有三角對稱性，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。三重對稱軸通常表示為Z軸，這是石英的光軸。表1顯示了在可見光范圍之內(nèi)和之外的各種波長的兩個(gè)離散折射率值。
表1不同波長下石英的折射率
測量方法在通過樣品的透射中使用全光譜白光，并且在被測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)化幾十年來一直是諧振器設(shè)計(jì)者的一個(gè)挑戰(zhàn)性問題。諧振器和安裝組合的結(jié)構(gòu)對稱性已經(jīng)在過去的工作中得到證明，無論是理論上的還是實(shí)際的，都對加速度靈敏度有很大的影響，并且已經(jīng)開發(fā)了專門的結(jié)構(gòu)。改善了表現(xiàn)。然而，對于諸如機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用，存在對進(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)量問題以及生產(chǎn)調(diào)度中的不可預(yù)測性。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年代開始，法國還開發(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稱性的單元然后測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去組中選擇部件。重新測量這些單元以驗(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指定。嚴(yán)格地說，該參數(shù)僅針對具有已知折射率的介質(zhì)定義，并且如稍后所述，對于結(jié)晶石英，折射率沒有很好地定義，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為單位測量，D是屈光度值。
圖2輪廓幾何
A.預(yù)電
用于測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
可以考慮測量輪廓同心度的另一種方法是1D或2D輪廓測量，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量，例如激光三角測量或共焦型深度計(jì)。圖5中示出了來自這種系統(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它的光的傳播方向或偏振方向。最簡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)影響穿過介質(zhì)的光的通過。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)雙重對稱軸和一個(gè)三重對稱軸;這種形式的晶體結(jié)構(gòu)被歸類為具有三角對稱性，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。三重對稱軸通常表示為Z軸，這是石英的光軸。表1顯示了在可見光范圍之內(nèi)和之外的各種波長的兩個(gè)離散折射率值。
表1不同波長下石英的折射率
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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