石英晶體諧振器參數(shù)

石英晶體諧振器的振動實質(zhì)上是一種機械振動。實際上，石英晶體諧振器可以被一個具有電子轉(zhuǎn)換性能的兩端網(wǎng)絡測出。這個回路包括L1、石英晶體諧振器的振動實質(zhì)上是一種機械振動。實際上，石英晶體諧振器可以被一個具有電子轉(zhuǎn)換性能的兩端網(wǎng)絡測出。這個回路包括L1、C1,同時C0作為一個石英晶體的絕緣體的電容被并入回路，與彈性振動有關的阻抗R1是在諧振頻率時石英晶體諧振器的諧振阻抗。（見圖1）X1taiFig1EquivalentCircuit

ofCrystalUnit石英晶體作為諧振器在使用時，要求其諧振頻率在溫度發(fā)生變化時保持穩(wěn)定。溫頻特性與切割角有關，每個石英晶體具有結晶軸，晶體切割是按其振動模式沿垂直于結晶軸的角度切割的。典型的晶體切割和溫頻特性。（見圖2）

AT型石英晶體諧振器的溫度特性目前大多用三次曲線表示（見圖3）。一個石英晶片在所需要的頻率范圍已滿足的情況下在某一角度被切割，以達到要求的工作溫度范圍。當然，實際上，即使在成功的操作中，也會有一些由于切割和磨光精確性不夠而造成的角度散布，由此，操作的精確度需要提高。在圖4中可以看到頻率公差和生產(chǎn)難度等級的關系。所有石英諧振器均有寄生（在主頻率之外的不期望出現(xiàn)的）振蕩響應。他們在等效電路圖中表現(xiàn)為附加的以R1、L1、C1形成的響應回路。寄生響應的阻抗RNW與主諧振波的阻抗Rr的比例通常以衰減常數(shù)dB來表示，并被定義為寄Rnw生衰減aNw=-20?1g打?qū)τ谡袷幱镁w,3至6dB是完全足夠的.對于濾波用晶體，通常的要求是超過40dB.這一規(guī)格要求只有通過特殊設計工藝并使用數(shù)值非常小的動態(tài)電容方能達到.可達到的衰減隨著頻率的上升和泛音次數(shù)的增加而減小.通常的平面石英晶片諧振器比平凸或雙面凸晶片諧振器的寄生衰減要良好.在確定寄生響應參數(shù)時,應同時確定一個可接受的寄生衰減水平以及寄生頻率與主振頻率的相對關系.在AT切型中，對于平面晶片，”不和諧的響應”只存在于主響應的+40至+150KHZ之間，對于平凸或雙面凸的晶片，寄生則在+200至+400KHZ之間.在以上的測量方法中，寄生響應衰減至20至30dB時是可以測量的,對于再高一些的衰減.C0的補償是必需的.石英振蕩器的機械振動的振幅會隨著電流的振幅成正比例地上升.功率與響應阻抗的關系為Pc=12qR1,高激勵功率會導致共振的破壞或蒸鍍電極的蒸發(fā)，最高允許的功率不應超過10mV.由于L1和C1電抗性的功率振蕩，存在Qc=QxPc.若Pc=1mV,Q=100.000,Qc則相當于100W.由于低的Pc功率會導致振蕩幅度的超過,最終導致晶體的頻率上移. °隨著晶體泛音次數(shù)的增加，對于激勵功率的依賴性更加顯著.上圖顯示了典型的結果，但是精確的預期結果還是要受到包括晶體設計和加工，機械性晶片參數(shù)，電極大小，點膠情況等的影響.可以看出，激勵功率必須被謹慎地確定，以使晶體在生產(chǎn)中和使用中保持良好的關系.當今，一個半導體振蕩回路的激勵功率一般為0.1mV，故在生產(chǎn)晶體時也一般按O.lmV進行.一個品質(zhì)良好的晶體可以容易地起振,其頻率在自1nW逐步增加時均能保持穩(wěn)定.現(xiàn)在，晶體兩端的功率很低的半導體回路也可以在很低的功率的情況下工作良好.上圖顯示了一個對激勵功率有或無依賴性的晶體的工作曲線的比較.晶體存在蒸鍍電極不良,晶片表面潔凈度不足，都會存在如圖所示的在低功率時出現(xiàn)高阻抗的情況，這一影響稱為激勵功率依賴性(DLD).通常生產(chǎn)中測試DLD是用1?10mV測試后再用1mV測試，發(fā)生的阻抗變化可作為測試的標準.很顯然，在增加測試內(nèi)容會相當大的提高晶體生產(chǎn)的成本.利用適當?shù)臏y試儀器可以很快地進行DLD極限值的測定，但是只能進行合格/不合格的測試.IEC草案248覆蓋了根4結構特性解剖日本生產(chǎn)的這種石英諧振器可見，外殼為干凈、無凹隱、無污漬的HC-49/U型鋅鉑銅外殼，印字清晰完整?；鶠殚g距8.3mm、兩腳齊平、浸錫光亮、長6mm的HC-49/U型彈片支架，底部壓痕不明顯。支架與外殼焊接熔合，無溶料突出，這種基座與外殼的封裝形式結構合理，成本低，密封性、可靠性、穩(wěn)定性好。正中透亮、邊緣有明顯倒邊臺階、鍍有正反吻合銀電極的圓凸形石英晶片正滑入支架彈片槽，引出端與支架接觸處點的銀電膠適量、導電性能良好。晶片直徑為8.9mm，電極直徑為6.7mm,其結構如圖1所示。5設計5.1切角的選擇AT切的頻率溫度曲線是三次拋物線的關系，由貝赫曼給出的溫度特性方程為：(f—f0)/f0=a0(T-T0)+b0(T-T0)2+c0(T-T0)3式中，T為任意溫度，T0參照溫度，f0為參照溫度時的頻率，a0、b0、c0為參照溫度時的頻率溫度系數(shù)。DPTV石英諧振器要求在一20°C?70°C范圍內(nèi)達到±2X10-5，通過調(diào)整角度范圍，最后確定由35。10'±3'修正為35°08'±2'最為合適，如圖2所示。另外，由于晶片研磨過程中會使角度有所偏差，采用長方片粗磨后再測角度的加工新方法，確保了溫度頻差的要求。5.2晶片的設計當(晶片直徑)/t(晶片厚度)<20時，石英晶片的邊緣效應較強，表現(xiàn)為電阻大，起振性能差。所以必須將晶片設計成雙凸形，如圖3所示，相當于增大它的有效直徑。1那十譬十蟲嚴?-守雙凸晶片厚度和曲率半徑的計算機公式為 /式中，f為石英晶片諧振頻率(kHz)，R為石英晶片雙凸曲面半徑(mm)，為石英晶片直徑(mm)，t為石英晶片的厚度(mm)，to為石英晶片邊緣厚度(一般取0.2mm)。最后采用的可兼顧有限外殼尺寸(該外殼的內(nèi)部尺寸為10mmX3.5mmX13.2mm，還要除去支架及內(nèi)襯的位置)限制的，用滾筒倒邊技術消除邊緣效應的8.7mm片徑的好處很多：(1)原材料一一人造水晶節(jié)省4.52%；(2)研磨碎片率下降2.24%；(3)拍閃表明抗振動性提高，合格率提高0.98%。5.3電極直徑和靜電容的確定電極直徑的選取必須考慮到電阻、靜電容及片厚等。晶片電極和電極返回頻率滿足能陷公式時，可得到最小的寄生響應，等效電阻最小。能陷公式為△f=(Nt/An)2f式中，N為常數(shù)(2?2.4)，△f為返回頻率，n為泛音次數(shù)，A為電極面積，t為片厚。靜電容的經(jīng)驗公式為C0=k0(A2/t)式中，k0為常數(shù)?？紤]到通用性原則，確定的電極直徑為6.5mm可達到要求。6關鍵工藝主要工藝流程為：切割一粗磨一測角一改圓一研磨一腐蝕清洗一鍍膜一裝架點膠一微調(diào)一封焊一印字一老化一成檢一浸錫一抽檢一切校腳一包裝入庫。6.1腐蝕清洗據(jù)多年的生產(chǎn)實踐和理論證明，片愈厚、頻率愈低，對晶體的起振性能、電阻的影響愈大，這是低頻DPTV石英諧振器所不希望和較難解決的問題。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，作為清除晶片因研磨造成的表面松散層的深腐蝕方法較有效。但采用原先的腐蝕液(氫氟酸)的速度慢、效率低，研制人員為此重新配備了蝕液，70C飽和氟化氫銨溶液為最佳配方，蝕出的晶片透亮，電阻小。但由于手工控制的搖動不夠均勻，批量生產(chǎn)時出現(xiàn)了腐蝕后晶片均勻度差，清潔度不夠及蝕速快、較難把握等問題。為此，我們引進了香港制造的由IEC-1型電腦控制的腐蝕控制的腐蝕清洗系統(tǒng)，操作者只需將清洗腐蝕時間(以秒為單位)輸入計算機、裝白片架和看護各個浴器，便可實現(xiàn)晶片的腐蝕、清洗、烘干及末端從傳送鏈上卸下來的整個過程流水式自動化操作，氣泡發(fā)生器使腐蝕更加均勻，加溫超洗干凈。晶片的光潔度、清潔度大幅度提高，成品電阻平均下降3.38%、成品合格率至少提高2.13%，起振性能提高，工效提高50%。6.2鍍膜晶片光潔度的提高對鍍膜的附著率造成影響，如果附著率無保證，會造成頻率的不穩(wěn)定。為了保證晶片的附著率，采用先鍍一層附著率好的鉻，然后再鍍銀的方法，這種方法的難點就是銀鉻在晶片兩面平均分配的問題，如果分配不均，同樣會造成頻率的不穩(wěn)定。我們采用進口的電腦控制的VDS406真空蒸鍍系統(tǒng)，只需將蒸鍍量輸入電腦，它就會自動地將蒸發(fā)物按比例均勻地分配到晶片的兩邊，且給下道微調(diào)工序留下最佳的微調(diào)量。6.3裝架點膠膠點得太多會影響電阻，太少又會粘得不牢固，影響可靠性，采用香港制造的精密電子電路控制液體流量的1500型數(shù)位式定量點膠機，調(diào)整容易、操作簡單，一經(jīng)設定只需輕踩腳踏開關，每次吐出量一致，產(chǎn)品一致性好，避免了因人工兼畫眉筆點膠的方法造成的差異。支裝采用國際通用的，可減小等效電阻，外觀、機械性能、電性能、耐老化等質(zhì)量穩(wěn)定、價廉的國產(chǎn)HC-49/U型標準彈片支架。采用導電性能良好、3301F型日產(chǎn)導電性樹脂材料接著劑，平均電阻降低4.16%，可靠性能提高。6.4倒邊在試制中心還發(fā)現(xiàn)，倒邊平臺不一致會造成晶片邊緣不一致，太厚時成品的電阻較差，太薄時抗振動性能差，有碎邊現(xiàn)象，造成產(chǎn)品的不穩(wěn)定和不振。通過控制倒邊速度、標準倒邊筒、適量換砂制度等控制倒邊平臺的方法后，頻率的可調(diào)性和電阻的一致性好，可靠性提高，阻值最大為53Q，最小為38Q。最佳的平臺為4.4mm?5.3mm，時間為5天（一般為7天），工效提高40%。6.5拍閃石英諧振器的一般指標均采用電腦自校的美國150D型晶體阻抗計和高低溫測試系統(tǒng)來測試，為確保其可靠性能，我們自創(chuàng)了一套拍閃檢測工序，這種方法雖然比較土，但對確保出廠產(chǎn)品的可靠性能，使合格產(chǎn)品不致被淘汰非常有效，出廠產(chǎn)品合格率提高1.73%。通過精選抗氧化錫，采用先分選后浸錫再抽測的新工序，確保了浸錫質(zhì)量。依據(jù)凸輪運動原理，自制了操作簡單、效率高、符合要求的切腳裝置。確保出廠產(chǎn)品符合彩電生產(chǎn)自動化插件的要求。7結束語生產(chǎn)的產(chǎn)品經(jīng)廠家試用后反映良好、質(zhì)量穩(wěn)定、各項技術指標達到要求，如表2所示。生產(chǎn)成本與普通石英諧振器持平，達到了預期的目標。彩電“以數(shù)字技術為核