專利名稱：基于金屬薄膜的應(yīng)力補(bǔ)償?shù)臏囟妊a(bǔ)償晶體諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種晶體諧振器，具體是一種基于溫度傳感材料 應(yīng)力補(bǔ)償晶體溫度頻率特性的晶體諧振器。
背景技術(shù)：
晶體諧振器已被廣泛應(yīng)用于通信、郵電、航空航天、國防軍工、 電子技術(shù)和儀器儀表等技術(shù)領(lǐng)域。主要用作這些方面的眾多設(shè)備的時 鐘或標(biāo)準(zhǔn)頻率源。隨著科技的不斷進(jìn)步，人們對晶體諧振器的頻率一 溫度特性及體積、功耗、成本的要求越來越高?，F(xiàn)有的溫度補(bǔ)償晶體 諧振器的頻率_溫度補(bǔ)償方法幾乎全是根據(jù)晶體器件的頻率-溫度 特性，用線路處理的方法進(jìn)行補(bǔ)償，即用模擬、數(shù)字或者微機(jī)進(jìn)行處 理，產(chǎn)生對晶體諧振器的補(bǔ)償電壓來補(bǔ)償頻率的變化。 一般情況下，
用模擬補(bǔ)償?shù)姆椒?，?50TT+85t:的范闈內(nèi)，可獲得頻率一溫度穩(wěn) 定度為士l-2ppm的晶體諧振器，其精度較低；而采用數(shù)字和微機(jī)補(bǔ) 償?shù)木w諧振器的頻率一溫度穩(wěn)定度雖高但價格高、功耗大。目前國 內(nèi)采用微機(jī)補(bǔ)償?shù)腁T切晶體諧振器，在-5(T(T+85'C的范圍內(nèi)頻率-溫度穩(wěn)定度可以達(dá)到土0.5ppm以上。由于采用上述的線路補(bǔ)償方法 補(bǔ)償?shù)木w振蕩器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，體積大、功耗高、成本高，難以滿 足近年來科技發(fā)展尤其是手機(jī)和其它移動通信領(lǐng)域發(fā)展的需要；也難 以適應(yīng)溫補(bǔ)晶體諧振器市場的競爭。如我國目前的手機(jī)用的溫補(bǔ)晶體 諧振器幾乎100%的靠進(jìn)口解決。尤其要指出的是，現(xiàn)有的溫度補(bǔ)償 晶體振蕩器幾乎全部采用了基頻晶體而不是泛音晶體進(jìn)行頻率補(bǔ)償。 其原因是基頻晶體的可拉動性好。但是，其穩(wěn)定性和老化特性卻比較 差。泛音晶體雖然穩(wěn)定性和老化指標(biāo)明顯好于基頻晶體，但是泛音晶
3體的頻率很難用現(xiàn)有技術(shù)的方法進(jìn)行較寬頻率的拉動，所以很難用在
壓控和溫度補(bǔ)償晶體振蕩器中。H前國外性能最好的溫度補(bǔ)償晶體振 蕩器都是采用穩(wěn)定性好而拉動性差的(如泛音等)晶體做成的溫度補(bǔ) 償晶體振蕩器。由于這種晶體的穩(wěn)定性很好和可拉動性很差，它的輸 出頻率是通過頻率合成的方法得到的。這樣的振蕩器通常用于軍品 上，其價格相當(dāng)昂貴，用現(xiàn)有技術(shù)的線路補(bǔ)償方法根本解決不了其性 能和價格相矛盾的難題。
實(shí)用新型內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)之不足，提供一種基于金屬 薄膜的應(yīng)力補(bǔ)償?shù)臏囟妊a(bǔ)償晶體諧振器，本實(shí)用新型基于金屬薄膜的 應(yīng)力調(diào)節(jié)晶體溫度一頻率特性，利用晶體器件的頻率隨加于其卜.的應(yīng) 力而變化的特點(diǎn)，來補(bǔ)償溫度對頻率所產(chǎn)生的影響，以構(gòu)成新一代的 溫度補(bǔ)償晶體諧振器。
本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是基于金屬薄膜的應(yīng)力補(bǔ)償?shù)臏?度補(bǔ)償晶體諧振器，包括晶體片(2)和晶體片上的電極(1)，晶體
片(1)沿圓周兩側(cè)或者電極(2)上設(shè)有鍍膜溫度傳感材料(3)。
本實(shí)用新型采用真空鍍膜的方法，將對溫度敏感的傳感材料鍍在 晶體諧振器的晶體片上或鍍在晶體的電極上，當(dāng)溫度變化時，通過溫 度傳感材料的變形，產(chǎn)生施加于晶體的應(yīng)力，補(bǔ)償晶體自身隨溫度變 化所產(chǎn)生的頻率變化。
與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本實(shí)用新型利用晶體的力一頻特性和溫一頻 特性相互補(bǔ)償?shù)年P(guān)系，來創(chuàng)造新的高性能的溫度補(bǔ)償諧振器。本實(shí)用 新型所采用的應(yīng)力補(bǔ)償方法從原理上根本上不同于現(xiàn)有技術(shù)所采用 的線路補(bǔ)償?shù)哪Ｊ剑且环N全新的補(bǔ)償方法。它大大簡化甚至省略了 溫度補(bǔ)償?shù)母鞣N線路，所構(gòu)成的晶體振蕩器結(jié)構(gòu)簡化，精度高、體積 小，成本低及功耗小。采用本實(shí)用新型的應(yīng)力處理的方法而得到的基 于溫度傳感材料應(yīng)力補(bǔ)償晶體諧振器，因此能夠滿意地解決泛音晶體 進(jìn)行較寬頻率的拉動，因而可以將泛音晶體用在壓控和溫度補(bǔ)償晶體 振蕩器中。同時解決不了其性能和價格相矛盾的難題。并且得到比現(xiàn)有技術(shù)的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器更好的頻率_溫度特性、相位噪聲特 性、頻率穩(wěn)定度和老化特性。正是閔為高穩(wěn)定的泛音等晶體仍然在較 窄的頻率范圍內(nèi)具有可拉動調(diào)節(jié)的特性，當(dāng)需要更高的精度時，可在 使用應(yīng)力處理的基礎(chǔ)上，僅在很窄的頻率范圍，再采用簡單線路處理 的方法調(diào)節(jié)，就能夠?qū)崿F(xiàn)進(jìn)一步獲得更高精度的效果。本實(shí)用新型用 簡單的應(yīng)力補(bǔ)償方法，可以獲得良好的溫度補(bǔ)償?shù)男Ч蕴貏e適 合于對溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的大批量、高精度的生產(chǎn)，再與簡單的線 路補(bǔ)償技術(shù)結(jié)合，能夠進(jìn)一步提高這類振蕩器的起點(diǎn)和總體水平。對 于所占比例相當(dāng)大的普通溫度補(bǔ)償晶體振蕩器而言，由于去掉了線路 控制部分，其短穩(wěn)指標(biāo)和相位噪聲特性更好。必將在該應(yīng)用領(lǐng)域獲得 巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。 圖3是不同切角晶體片的頻率-溫度特性圖。 圖4是本實(shí)用新型實(shí)施例1的晶體振蕩器的頻率-溫度特性圖。 圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例2的晶體振蕩器的頻率-溫度特性圖。 圖6是本實(shí)用新型用于溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的電路原理框圖。 圖7是現(xiàn)有技術(shù)的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器電路原理框圖。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。 本實(shí)用新型根據(jù)振蕩器的頻率隨著施加于其上的應(yīng)力的變化而 變化的特點(diǎn)，采用溫度敏感器件影響加于晶體諧振器卜.的應(yīng)力大小， 來補(bǔ)償晶體振蕩器的頻率隨溫度的變化。而晶體和晶體振蕩器的力_ 頻效應(yīng)就是當(dāng)諧振器受應(yīng)力作用時，它的諧振頻率隨之會發(fā)生改變。 這個應(yīng)力可以由外力、加速度和振動、電極變形、晶體的支撐或其它 的因素而引起。隨著施加力的增加，晶體的振蕩頻率的變化也增大， 力減小頻率的變化也隨之減小。下面是具體的晶體頻率增量與其所受 應(yīng)力變化的關(guān)系式<formula>formula see original document page 6</formula>
式中Af-諧振器的頻率增量；
Kf -諧振器的拉氏系數(shù)；
f _諧振器的諧振頻率；
n _諧振泛音次數(shù)；
D -諧振器的直徑；
△F -應(yīng)力變化。
從(1)式可以看出晶體的頻率變化受諧振器的頻率、直徑以及 諧振次數(shù)等因素的影響。但對同一個晶體來說，Kf、 f、 n、 D都是常 量，此時晶體的頻率變化與其所受應(yīng)力的變化在理論上成線性關(guān)系。 雖然還有一些表達(dá)晶體的頻率變化與加與其上的應(yīng)力變化的表達(dá)式 和(1)式可能有差別，但是力-頻之間的線性變化關(guān)系是一樣的。
基于金屬薄膜的應(yīng)力補(bǔ)償?shù)臏囟妊a(bǔ)償晶體諧振器包括晶體片(2) 和晶體片的電極(1)，如圖1、 2所示，將溫度傳感材料(3)直接鍍 在晶體諧振器的晶體片(2)沿圓周兩側(cè)，或者鍍在晶體片的電極(1) 卜.。當(dāng)溫度發(fā)生變化時，晶體和晶體振蕩器的總體頻率-溫度特性會 根據(jù)晶體本身的頻率-溫度特性和其力-頻特性的綜合作用結(jié) 果而發(fā)生變化，也就是隨著溫度變化先使溫度傳感材料產(chǎn)生形變，由 于該材料和晶體的緊密聯(lián)結(jié)，使得晶體本身承受應(yīng)力變化而引起其頻 率發(fā)生變化。補(bǔ)償?shù)哪康氖鞘褂蓱?yīng)力所引起的頻率變化與晶體本身隨 溫度產(chǎn)生的頻率變化相互抵消。
當(dāng)用溫度傳感材料應(yīng)力對晶體諧振器的頻率進(jìn)行補(bǔ)償時，以溫度 傳感材料的零應(yīng)力點(diǎn)溫度為參考點(diǎn)，選擇晶體片切角所對應(yīng)的接近線 性的頻率-溫度特性頻率段進(jìn)行補(bǔ)償，當(dāng)溫度偏離零應(yīng)力點(diǎn)下降時， 傳感材料變形產(chǎn)生施加在晶體卜.的應(yīng)力隨之增大，引起晶體的頻率減 小，從而拉動晶體改善溫度-頻率特性。所述的溫度傳感材料可選擇 熱脹冷縮敏感的金屬材料。
在圖1中，本實(shí)用新型把隨著溫度變化而產(chǎn)生明顯的熱脹冷縮形變的溫度傳感材料(3)用鍍膜的方法鍍在晶體片(2)上。在圖2中， 將溫度傳感材料(3)用鍍膜的方法鍍在晶體的電極(1)卜.。通過溫 度傳感材料(3)的形變，產(chǎn)生作用于晶體片(2)或電極(1)相應(yīng) 部位的應(yīng)力。本實(shí)用新型選擇隨溫度的形變相對于晶體的水晶材料較 為靈敏的銀、金、銅-鎳、鋁-銀、金-銀、銅-鋁等雙金 屬材料作為溫度傳感材料(3)。采用二次真空鍍膜法將金屬溫度傳感 材料(3)直接鍍在晶體片(2)上。如果要將溫度傳感材料(3)鍍 在晶體電極(1)卜.，由于本實(shí)用新型的晶體電極(1) 一般為金屬鋁 電極或金電極，可選擇熱脹冷縮變形明顯的單一的金屬材料鍍在晶體 電極(1)上，形成雙金屬溫度傳感材料(3)。
如圖3所示，晶體和晶體振蕩器的頻率-溫度特性根據(jù)晶體的 加工角度不同而不同，主要是三次曲線或與此相似的特性。
從圖3中的曲線得出，當(dāng)晶體的切角不同，隨溫度的升高，可以 使晶體的頻率一溫度特性曲線在大多數(shù)溫度范圍內(nèi)出現(xiàn)正斜率和負(fù) 斜率的兩種變化。
本實(shí)用新型應(yīng)力補(bǔ)償晶體頻率一溫度特性實(shí)施例 本實(shí)用新型典型地選擇頻率一溫度特性曲線段為負(fù)特性的晶體
切角條件進(jìn)行頻率補(bǔ)償。在溫度為85°C左右的真空條件下，將金屬 銀、鋁直接鍍在晶體片(2)沿圓周的兩側(cè)邊沿處，正反兩面都鍍有 半環(huán)型的銀溫度傳感材料(3)，如圖l所示。或在晶體的鋁電極(1) 上鍍一層銅或鋼膜溫度傳感材料(3)。鍍層形狀為沿x軸的長條型(或 者反過來，銅或鋼在內(nèi)，鋁在外)如圖2所示。用這種方法，形成了 晶體片(2)的雙金屬鋁一銅或鋁一鋼電極。當(dāng)溫度從雙金屬溫度傳 感材料(3)的零應(yīng)力點(diǎn)溫度85°C下降至-50t的過程中，晶體片(2) 上或電極(1)的溫度傳感材料(3)銀、鋁一銅或鋁一鋼變形，產(chǎn)生 施加于晶體片(2)的應(yīng)力，使該晶體振蕩器在圖3中的頻率一溫度 特性曲線逆時針旋轉(zhuǎn)變化，使頻偏減小，頻率趨向標(biāo)準(zhǔn)值。獲得了如 圖4所示的最接近線性變化的補(bǔ)償曲線。圖4中的1#和4#為本實(shí)用 新型實(shí)施例1應(yīng)力補(bǔ)償后的晶體振蕩器的頻率-溫度特性圖的補(bǔ)償曲
7線，較之其他未補(bǔ)償晶體性能有明顯的改善，圖5為本實(shí)用新型實(shí)施 例2應(yīng)力補(bǔ)償后的晶體振蕩器的頻率-溫度特性圖的補(bǔ)償曲線。
經(jīng)過本實(shí)用新型的補(bǔ)償處理，不需要增加任何線路，就能夠明顯 改善晶體和晶體振蕩器的頻率一溫度特性。這種不需要經(jīng)過用線路的 處理方法所獲得的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器的技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)可以滿足絕 大多數(shù)產(chǎn)品如手機(jī)的需要。與在同樣溫度范圍內(nèi)大多數(shù)晶體的頻率溫 度穩(wěn)定性只能達(dá)到士幾十ppm相比，其技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)有大幅度的提 高。本實(shí)用新型也為生產(chǎn)高精度溫度補(bǔ)償晶體振蕩器提供了補(bǔ)償方 法。就是在獲得上述補(bǔ)償?shù)念l率-溫度特性的基礎(chǔ)上，僅在很窄的 溫度范圍內(nèi)輔以簡單的、常規(guī)的線路補(bǔ)償方法，就很容易獲得頻率一 溫度特件高達(dá)土O. 2ppm的補(bǔ)償精度。
用上述溫度傳感材料(3)也可以對泛音AT切晶體鍍膜構(gòu)成電極 產(chǎn)生好的補(bǔ)償效果，在初采用本實(shí)用新型的應(yīng)力補(bǔ)償方法補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ) 上再附加簡單的補(bǔ)償線路，可以有效地在小范圍拉動泛音晶體的頻 率，得到更好的補(bǔ)償效果。譬如，對頻率為38.88MHz的泛音晶體， 應(yīng)力補(bǔ)償方法可以產(chǎn)生不小于-lKHz的頻率變化。但是用傳統(tǒng)的線路 調(diào)節(jié)的方法，h述泛音晶體頻率只能產(chǎn)生幾Hz到幾十H7的頻率變化。 這就較好地解決了穩(wěn)定性好的泛音晶體頻率難以用現(xiàn)有技術(shù)中的線 路調(diào)節(jié)補(bǔ)償?shù)碾y題，為溫度補(bǔ)償類泛音晶體的應(yīng)用開拓了廣闊前景。
將圖l、圖2和圖6與圖7進(jìn)行對比，可以看出，在圖7所示的 現(xiàn)有技術(shù)中，溫度補(bǔ)償晶體振蕩器主要由溫度傳感器、溫度補(bǔ)償線路 和壓控晶體振蕩器三部分組成，這三部分是缺一不可。而在應(yīng)用本實(shí) 用新型組成溫度補(bǔ)償晶體振蕩器中，本實(shí)用新型可以替代圖7中的虛 線框出的溫度傳感器和溫度補(bǔ)償線路兩大部分結(jié)構(gòu)。即使是在圖4中 應(yīng)用本實(shí)用新型組成的溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，也僅在本實(shí)用新型之外 附加了一個簡單的振蕩線路，其總體結(jié)構(gòu)、體積也大大小于圖7組成 溫度補(bǔ)償晶體振蕩器。
值得提出的是，晶體片(2)常常在承受應(yīng)力后會出現(xiàn)負(fù)頻差。 所以，對晶體片(2)的加工要預(yù)置正頻差。這方面的工藝保證可以使批量生產(chǎn)中得到的晶體的整體頻率-溫度特性被大大改善。滿足一
次成品的合格率達(dá)到80%以匕
通過對大量晶體的試驗(yàn)證明，在晶體的零應(yīng)力點(diǎn)的高、低溫度兩 個方向上(膨脹和收縮，彎曲的方向不一樣)，頻率的變化都是向低 的方向變化?？梢孕纬梢粤銘?yīng)力點(diǎn)為中心的兩個方向近于折線的都向 下的補(bǔ)償?shù)慕咏€性的溫度一頻率補(bǔ)償特性。這樣便得到更寬的補(bǔ)償范圍。
權(quán)利要求1、基于金屬薄膜的應(yīng)力補(bǔ)償?shù)臏囟妊a(bǔ)償晶體諧振器，包括晶體片(2)和晶體片上的電極(1)，其特征在于晶體片(1)沿圓周兩側(cè)或者電極(2)上設(shè)有鍍膜溫度傳感材料(3)。
專利摘要本實(shí)用新型公開一種基于金屬薄膜的應(yīng)力補(bǔ)償?shù)臏囟妊a(bǔ)償晶體諧振器，包括晶體片和晶體片上的電極，晶體片沿圓周兩側(cè)或者電極上設(shè)有鍍膜溫度傳感材料。本實(shí)用新型采用晶體片的力頻特性和溫頻特性互補(bǔ)關(guān)系補(bǔ)償晶體諧振器的頻率。當(dāng)溫度變化時，本實(shí)用新型通過溫度傳感材料的變形，產(chǎn)生施加于晶體片的應(yīng)力，補(bǔ)償晶體片自身隨溫度所產(chǎn)生的頻率變化。采用本實(shí)用新型的補(bǔ)償方法，可在較寬的溫度范圍使晶體片的頻率-溫度特性達(dá)±1ppm，因此能夠滿足更高精度晶體振蕩器的要求，本實(shí)用新型提高了溫度補(bǔ)償晶體諧振器的起點(diǎn)和總體水平，大大簡化甚至省略了溫度補(bǔ)償?shù)母鞣N線路，具有體積小、成本低的優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號H03L1/02GK201341127SQ20092003182
公開日2009年11月4日 申請日期2009年1月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月23日
發(fā)明者關(guān)興水, 渭 周, 賈兆旻 申請人:西安華偉電力電子技術(shù)有限責(zé)任公司