高精密SC切晶體諧振器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、高精密SC切晶體諧振器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)聶 祎河北遠(yuǎn)東通信系統(tǒng)工程有限公司摘要：隨著世界現(xiàn)代通信業(yè)的迅猛發(fā)展，對(duì)高技術(shù)指標(biāo)、高可靠元器件的要求日益迫切，尤其對(duì)尖端高檔晶體振蕩器提出了更高的要求，而作為高檔晶體振蕩器的核心-高檔晶體諧振器是重中之重，其中SC切晶體諧振器比AT切的具有更多的優(yōu)點(diǎn)。本文探討了高精密SC切晶體諧振器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。關(guān)鍵字： 晶體諧振器 SC切 壓電晶體1、 引言自1974年發(fā)現(xiàn)SC切型以來，由于它在開機(jī)特性、短穩(wěn)、長期老化、抗輻射等方面具有其它切型晶體無法比擬的優(yōu)勢(shì)，幾十年來獲得了長足的發(fā)展，高精密SC切晶體諧振器技術(shù)含量高，對(duì)設(shè)計(jì)、制作工藝、制作經(jīng)驗(yàn)等各方面都有很高的要求，

2、本文以SC10M（3rd）為例著重介紹其設(shè)計(jì)思路及加工工藝的簡(jiǎn)況，并測(cè)試主要的性能指標(biāo)。2、 設(shè)計(jì)思路2.1 切角及誤差的確定晶體設(shè)計(jì)拐點(diǎn)為805，查詢文獻(xiàn)資料并根據(jù)實(shí)際產(chǎn)品性能，晶片切角選為（yxwl）2156/3405，晶片角度允許誤差：21563，34050.5。允許誤差確定的依據(jù)是：測(cè)角用X光機(jī)的精度。計(jì)算得出的SC切晶體對(duì)角度的要求。試驗(yàn)產(chǎn)品的實(shí)際拐點(diǎn)誤差。2.2 晶片外形的確定晶片直徑選為8.65mm，倒缺口處8.4mm，這樣可以沿用現(xiàn)有的AT切工裝夾具。為了有效的降低電阻，采用平凸拋光片，對(duì)于凸面采用的曲率，由于角的出現(xiàn)（AT切的角可視為零），使SC切晶體諧振器的頻譜復(fù)雜化了。S

3、C切晶體的振動(dòng)是厚度振動(dòng)。厚度振動(dòng)有三種形式：厚度伸縮振動(dòng)，即A模振動(dòng)；厚度扭曲振動(dòng)，即B模振動(dòng)；厚度切變振動(dòng)，即C模振動(dòng)。其中只有C模振動(dòng)曲線是三次函數(shù)曲線，才擁有零溫度系數(shù)點(diǎn)。這是我們需要的振動(dòng)模式。A模離C模較遠(yuǎn)，采用平凸晶片外形時(shí)這個(gè)振動(dòng)模式激勵(lì)不起來，不予考慮，而B模振動(dòng)模式離C模較近，其位置由角的大小決定，如果角為2156，則B模振動(dòng)大約位于高于C模振動(dòng)的9.6%，所以B模振動(dòng)的存在給我們的設(shè)計(jì)帶來很大麻煩。為了使C模振動(dòng)得到加強(qiáng)，而B模振動(dòng)得到抑制，在設(shè)計(jì)時(shí)要選擇合適的曲率半徑，而且曲率半徑除了影響頻率溫度系數(shù)和溫度拐點(diǎn)外，還影響Q值，曲率半徑R越小，B模振動(dòng)的活動(dòng)性越小，但是曲

4、率半徑越小Q值越低，設(shè)計(jì)的時(shí)候兩方面都要兼顧。3、 主要實(shí)現(xiàn)工藝本產(chǎn)品在加工工藝上大多數(shù)采用現(xiàn)有恒溫AT切高精密諧振器的工藝規(guī)程。下面對(duì)幾道關(guān)鍵工藝作一些探討。3.1 晶片腐蝕腐蝕的主要作用是去除由研磨在晶片上產(chǎn)生的被壞層、消除應(yīng)力,達(dá)到石英諧振器減少老化的目的。研磨后晶片消除破壞層和應(yīng)力變形的最佳辦法是用氟化氫氨或氫氟酸對(duì)晶片進(jìn)行腐蝕。腐蝕時(shí)可按下式控制腐蝕頻率變化量為：f = Kf2式中：f 為腐蝕頻率； f 為基頻標(biāo)稱頻率； K為試驗(yàn)確定的系數(shù),它是由頻率段和晶片切型來確定的，對(duì)于我們的產(chǎn)品，取k為0.1。即算出腐蝕量大約為1k。晶片采用40%的NH4F溶液腐蝕，由于很難買到制備好的NH

5、4F溶液，因此我們采用NH4F粉末和純凈水制備重量比為40%的NH4F溶液。3.2 鍍膜鍍膜工藝采用Saunders & Associates的5600鍍膜機(jī)。根據(jù)公式： 式中：tm為鍍膜厚度；Fq為白片頻率；Fr為目標(biāo)頻率；Dm為鍍膜金屬的密度；Dq為晶片的密度2.65g/cm3輸入白片頻率和目標(biāo)頻率，我們可以算出鍍膜的厚度。鍍膜后，我們要對(duì)晶片進(jìn)行300度的高溫堅(jiān)膜，也就是鍍層的再結(jié)晶過程，使鍍層的強(qiáng)度、硬度下降，朔性和韌性得到升高，主要目的是提高老化和降低電阻。3.3 封口封口工序我們采用了比電阻焊更為先進(jìn)的冷壓焊真空封裝。冷壓焊封裝是用機(jī)械設(shè)備在外殼和基座上施加很大的壓力，在這個(gè)壓力下

6、，使兩層金屬件的原子相互摻透擴(kuò)散，從而結(jié)合在一起。這種封口方式最大的優(yōu)點(diǎn)是：密封性能良好、對(duì)晶片的污染小、操作方便。采用冷壓焊封裝的產(chǎn)品比用電阻焊的產(chǎn)品其老化指標(biāo)也有較高的提高。4、 測(cè)試結(jié)果4.1 頻率溫度特性下表列出了實(shí)測(cè)SC切晶體的低溫拐點(diǎn)、高溫拐點(diǎn)和轉(zhuǎn)折點(diǎn)，與設(shè)計(jì)基本相符。序號(hào)轉(zhuǎn)折點(diǎn)低溫拐點(diǎn)高溫拐點(diǎn)192.28110329281102.7392.180.8102.9491.879.2104.14.2 Q值下表列出了SC切晶體的Q值，同時(shí)列出了AT切晶體的Q值以作比較。晶體等效參數(shù)SC切AT切編號(hào)1#2#3#4#1#2#3#4#Q(K）1,0671,1381,1361,190508521

7、498530從表中可看出，SC切晶體的Q值明顯高于AT切，相差一倍多。4.3 B模下表是實(shí)測(cè)晶體的B模、C模特性。編號(hào)1#2#3#4#Fc(MHz9.999819.9998239.9998119.999808Fb(MHz10.9579610.9584010.9585710.9576Rc(83.976.478.677.9Rb(88.579.478.376.6從表中看，B模頻率比C模約高9.6，與設(shè)計(jì)基本相符。B模電阻略小于或等于C模，仍有個(gè)別大于C模，這一點(diǎn)今后需要注意改進(jìn)。5、 結(jié)束語本文總結(jié)了SC10M（3rd）的設(shè)計(jì)思路及實(shí)現(xiàn)過程，表明SC切晶體諧振器比AT切的具有更多的優(yōu)點(diǎn)。但對(duì)于SC晶體諧振器的電阻我們與國