晶振加速靈敏度會(huì)被等高線同心度影響嗎
來源:http://m.netflixyz.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(duì)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(shí)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(duì)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(duì)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(duì)于諸如機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用,存在對(duì)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(cè)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(cè)量相對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)稱性的單元然后測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)具有已知折射率的介質(zhì)定義,并且如稍后所述,對(duì)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(cè)量,D是屈光度值。 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(cè)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(duì)本產(chǎn)品中使用的特定毛坯幾何形狀進(jìn)行了評(píng)估。
A.預(yù)電
用于測(cè)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(duì)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(duì)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。
B.輪廓測(cè)量
可以考慮測(cè)量輪廓同心度的另一種方法是1D或2D輪廓測(cè)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(cè)量,例如激光三角測(cè)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(cè)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(duì)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(shí)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(cè)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(duì)稱軸和一個(gè)三重對(duì)稱軸;這種形式的晶體結(jié)構(gòu)被歸類為具有三角對(duì)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(duì)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。
測(cè)量方法在通過樣品的透射中使用全光譜白光,并且在被測(cè)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(duì)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(duì)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(duì)于諸如機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的應(yīng)用,存在對(duì)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)稱性的單元然后測(cè)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(cè)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(cè)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(duì)具有已知折射率的介質(zhì)定義,并且如稍后所述,對(duì)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(cè)量,D是屈光度值。 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(cè)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(duì)本產(chǎn)品中使用的特定毛坯幾何形狀進(jìn)行了評(píng)估。
A.預(yù)電
用于測(cè)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(duì)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
可以考慮測(cè)量輪廓同心度的另一種方法是1D或2D輪廓測(cè)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(cè)量,例如激光三角測(cè)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(cè)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(duì)稱軸和一個(gè)三重對(duì)稱軸;這種形式的晶體結(jié)構(gòu)被歸類為具有三角對(duì)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(duì)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。
測(cè)量方法在通過樣品的透射中使用全光譜白光,并且在被測(cè)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。
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