溅镀C轴倾斜的压电膜和切变波谐振器

作者对溅镀的压电膜能否应用于甚高频至微波频率的声波器件进行了研究。本文介绍了切变波谐振器用的C轴倾斜的氧化锌(ZnO)和氮化铝(AlN)膜的生长及特性。文中计算了某些膜的切变波激动的定向关系。这些膜在C轴取向与表面法线成大约45°时,可能激励出接近于纯的切变波。在其他角度,则只能激励准切变波和准纵向波。 C轴对膜法线倾斜方向合适的ZnO或AlN膜,是在配有辅助阳极的反应式直流面磁控管溅镀系统中生长的。这类膜可用扫描式电子显微镜(SEM)和体声波器件测量法进行鉴定。自Si基片法线倾斜的C轴晶粒柱形结构可在扫描式电子显微镜中清楚地看到。C轴倾斜角达45°,厚度达10微米的薄膜已经制做成功。在P~+Si基片上溅镀上ZnO和AlN可以制成复合谐振器。这类谐振器的Q值在200兆赫到500兆赫基频谐振范围内大约为5000。特别令人感兴趣的是可以对谐振频率进行温度补偿。在ZnO/Si和AlN/Si的复合结构上已制造出室温下串联谐振频率的绝对温度系数小于1×10~6/℃的谐振器。ZnO和AlN晶片谐振器的温度系数已测出为-36.2×10~-6/℃和-25×10~-6/℃。这表明P~+Si基片在切变膜时的温度系数大约是+9×10~6/℃、     

低相位噪声倍频微波源

使用高次泛音体声波谐振器(HBAR),可能研制出直接工作在微波频率的低相位噪声倍频微波源。最近,已研制出一个L波段的低噪声源,它能提供约以5MHz为间隔的信号,并能得到与低频石英晶体稳定和倍频的微波源相同的相位噪声抑制度,高次泛音体声波谐振器(HBAR)直接倍频到微波源需要少量硬件,以达到用任何其它方法得到倍频微波源所具有的相同的相位噪声抑制度。稳定的工作是通过利用钇铝石榴石(YAG)、蓝宝石、铌酸锂式铝酸锂等晶体的高次泛音谐振来达到的。它们的固有损耗表明,其潜在Q值近似为石英晶体的十倍。已制成的这种谐振器的频率高达10GHz。对1.5GHz频段的压缩模式,已在几个样品中得到50,000以上的有载Q值。这些谐振器由其晶片上渡漠换能器组成。单纯的反射被限制在换能器之下区域内。晶体牢牢地被装在外壳中,以尽量减小外部振动对频率稳定度的影响。测量振动灵敏度的情况在一篇参考文献中简述。此倍频微波源包括一个用自动频率控制(AFC)回路稳定的低噪声压控振荡器(VCO)。在自动频率控制(AFC)鉴频器中,高次泛音体声波谐振器是决定频率的元件。测量的相位噪声与估计的性能很一致。本文提供了噪声特性的详细情况。用附加的数字控制电路将压控振荡器予调到高次泛音体声波谐振器(HBAR)的任一次响应上,可以很容易地实现倍频。因此,用最少的硬件得到了低相位噪声用电子方法控制的倍频源。     

超高频晶体滤波器的新进展

由于新刻蚀工艺(氩离子束技术)的出现,现在CEPE能提供一种用基模或低泛音模(即600MHz3次泛音)谐振器来扩大有效带宽的压电器件。从各种应用中得出的这一成果已经应用于新一代的电信系统。其特点与用一般谐振器研磨工艺在低频(即30MHz～50MHz)时所观测到的相类似。     

硅片上镀氧化锌薄膜的矩形电极厚度伸缩能陷谐振器的分析

最近已经证明,在硅片的一个界限明确的小区域内,可以刻蚀出高度均匀的薄层并镀上氧化锌优质压电膜和电极,从而构成高频能陷谐振器。最近的分析工作仅适合于纯厚度振动情况。木文分析了硅复合结构中压电薄膜的主要厚度伸缩能陷模。分析结果表明,在晶片上波数不大的范围内,即使硅在晶片平面上呈显著的各向异性,这个平面的色散方程也是各向同性的。从得到的色散关系,可以求出渐近微分方程和相应的边界条件。这个方程描述了振动在厚度伸缩谐振附近的复合晶片表面的模式形状。由于该模是主要厚度伸缩型的,所以就复合平片的基模来说,在电极区通常不产生能陷。然而,如果适当增加电极区外的硅厚度,就能实现电极区内的基模能陷。此外,对硅片上镀氧化锌的情况来说,只要简单地使氧化锌膜比刻蚀掉的硅厚到一定程度,就能在电极区内产生平片基模的能陷。本文将上述渐近微分方程及边界条件应用于矩形电极能陷谐振器稳态振动的分析,并获得了在谐振附近有效的导纳集总参数表示图。本分析适用于各种厚度伸缩模及其伴生的横向泛音。     

温度补偿振荡器用SC切谐振器

本文介绍对SC切TCXO谐振器的频温一切角特性的测定情况。θ值是在下转折点温度范围+100℃至-70℃的数值。根据这种谐振器的频率温度(f-T)特性,测出了在不同温度范围(即-40℃—+75℃, -54℃—+85℃和0℃—+60℃)的最佳切角、最小频率偏移和最大频率-温度斜率。业已发现,用普通切割设备就能很容易达到切角公差。初步的滞后测量结果表明,SC切谐振器可以使TCXO的稳定度得到明显提高。     

氮化铝薄膜及复合体波谐振器

为了在超高频范围内对基模振荡器进行控制和运用滤波器,开展了对于小型体波谐振器的基本材料和器件特性的研究。本文报道了氮化铝(ALN)在构成复合谐振器几何形状和边缘支撑型晶片结构方面的性能。 ALN薄膜是在直流平板磁控管溅镀装置中,用中间电极溅射出来的AL和等离子气体中的N_2之间的等离子体反应生成的。一般溅镀条件是:溅镀压力=1×10~(-3)毛,空气含氮量=99.999％基片温度=200℃,直流功率-225瓦,溅镀率=1.2微米/小时。ALN薄膜的品质用扫描式电子显微镜(SEM)、X射线衍射法和奥格(Auger)电子分光镜进行鉴定。检测结果说明,溅镀的ALN薄膜具有严格的晶向结构,其C轴垂直于Si(硅)基片表面。对于由1.7微米ALN薄膜和8微米Si基片组成的谐振器,测出的基频串联谐振频率为328.53兆赫,基频并联谐振频率为328.61兆赫。这种规格谐振器的Q值约有7500,它在-20℃至+120℃范围内的实测温度系数约为-4×10~(-8)/℃。对于具有1.7微米ALN薄膜和6微米Si基片的谐振器,实测的温度系数是-6×10~(-6)/℃。这种规格谐振器的Q值约为5000,它的基频串联谐振频率是524.11兆赫,而基频并联谐振频率是524.45兆赫。应用微电子半导体加工技术,已经制成了边缘支撑型ALN晶片。晶片厚度为1.0至7微米,面积约为300平方微米。这种晶片是边缘支撑型的,这与以前报道的底膜支撑型薄膜是不相同的。厚度为6.5微米的典型ALN晶片在790兆赫附近产生基模谐振,耦合系数为10.3％。在-20℃至120℃范围内测得的温度系数可达到-20.5×10~(-6)/℃。目前,已按外延特性制造出具有水平C轴的氧化锌ZnO晶片。这种晶片显示出切变波谐振特性,这意味着晶片有很高的谐振Q和比较简单的模式结构。     

石英谐振器中辐射感应电导率和高温Q值的变化

尽管高温电解已经被证明是消除石英中填隙杂质的一种有用技术,但是测量这种工艺步骤的效率的可靠指示装置仍在研制之中。本文的目的就是介绍该装置的指标。已经对两种技术进行了研究:第一种是测量沿石英光轴的辐射感应电导率,而第二种是测量高温 Q 值的变化。杂质补偿电荷从其陷阱中释出时,两种效应都会产生。第一种情况导致离子电导率的相应增加,而第二种情况导致声损耗的增大。辐射感应电导率的测量是用一台能在样品上产生大约5rad/s 200KV 14mA 的 X 光机进行的。在10~4V/cm 量级的电场下,电流测量系统的噪声电平等效于10~(-9)石英杂质所产生的杂质电流。高温(300—800K)Q~(-1)测量技术的准确度受限于高温损耗与杂质中心集中程度的定量关系的不确定性。已经对不同杂质含量的石英材料制成的许多谐振器进行了试验,并把辐射感应电导率和高温 Q~(-1)两者的结果和早期辐射引起频率和谐振器电阻的变化进行了比较。辐照后感应电导率的指标和高温 Q 的指标表明与早期脉冲辐照产生的动态谐振器动态电阻的变化极为一致,因此得出的结论是,两种测最方法都可以用来作为辐射“硬性”的验收标准。     

低温下工作的石英晶体振荡器

本文介绍石英晶体谐振器在低温下工作的性能试验结果及其在高稳定振荡器中的应用。已经对两种不同型号的晶体谐振器进行了测试:BVA_2型设计(无电极设计)的5MHz谐振器和常规设计的5MHz、五次泛音 AT 切谐振器。在4.2K 时 Q 值大约增加了一个数量级。低于4.2K 时所测出的上述每一种谐振器的 Q 值均无明显的增加。对于这两种型号的晶体,各取一只样品,在靠近2K 时的温度系数和4.2K 时的数值相比较是显著降低了。BVA_2型样品在靠近2K 时的温度系数为3×10~(-10)/K。同一只晶体在靠近2K 时所得到的幅频效应表明,在10~(-7)瓦以上时频率随晶体耗散功率的变化是很大的。本文给出了采用在低温下工作的石英晶体谐振器来稳定振荡器系统的某些结果。     

四点安装的SC切和AT切谐振器的加速度和加热特性

本文研究了四点安装的 SC 切和 AT 切谐振器的加速度灵敏度和加热特性。加速度的灵敏度是根据振动引起的边带来确定的。每一个谐振器的测量结果均与振动方向和振动频率呈函数关系。所研究的谐振器的参数包括:切角(AT 和 SC)、固定方位、泛音次数、晶片的几何形状(平平的、平凸的、双凸的)、安装支架的刚度和晶片材料(天然石英、人造石英和经扫掠的人造石英)。预热特性的测量是,先把谐振器浸入冰水中,然后迅速将其浸入沸水中,等达到热均衡之后,用晶体阻抗表(CI-meter)监测谐振器频率。对不同的 AT 和 SC 切设计(基模和三次泛音)的预热时间作了比较。可以看出,四点安装的陶瓷扁平封装的 SC 切谐振器能够在20秒内从0℃预热到100℃,而频率在2×10~(-7)以内。     

用激光加工在晶片上集成匹配阻抗的甚高频单片晶体滤波器

本文介绍在压电基片上集成薄膜匹配阻抗的甚高频单片晶体滤波器,以及设计和调整这种器件的独特方法。按照传统的方法,我们从单一谐振开始,其电极尺寸考虑到了未来滤波器的谐振器之间所需的间隙,然后用 YAG 激光将电极分开;谐振器之间间隙的调整,要同时考虑到滤波器的计算带宽和中心频率具有很好的精度。然后,用同一激光微调薄膜电阻,以达到正确的带内波动和需要的3db 带宽。按此方法,能得到对称性很好的通带。这种能够全自动化的加工方法,由于激光光点尺寸很小(约10微米)而很适用于甚高频单片晶体滤波器。而集成电阻降低了外壳和两个末端谐振器引线的寄生电容和电感的影响。最后,讨论了激光输出功率对一些典型参数的影响。     

怎样减小振动对SC切石英晶体振荡器的影响

要给现代化通讯、导航及雷达系统提供必要的频谱纯度,就必须减小石英谐振器的加速灵敏度(γ),例如从γ=10~(-10)/g 减小到γ=10~(-12)/g。为了实现这一目的,当前正在研究几种(仅与谐振器有关的)无源法。专门设计的单谐振器和双谐振器是无源法应用的两个实例。应用电子线路的有源法已经进行了研究,它能进一步使振动影响减到1/50。然而,用来实现这种方法的变容二极管的非线性限制了可能达到的最终减小量。本文介绍一种可供使用的有源法。这种方法的原理是应用 SC 切晶体的线性电压～频率特性,而要点在于把相位适当的振动模拟信号电压直接加在晶体电极上。用几块不同的SC 切晶体所做的一系列试验都确认了这种有源法的效果。把晶体振荡器略加修改,是为了加入补偿电压,而不会改变振荡器的电路原理。补偿测试范围:加速度1至14g,振动频率50至500Hz;补偿电压大小取决于γ的初值,可从-20至+20V(峰-峰值)。初步实验结果表明,在不连续的频率上γ值几乎能降低三个数量级,在50到500Hz 连续频率范围能降低一个数量级。     

加速度灵敏度优于2×10~(-10)/g的SC切10MHz高Q晶体的设计

力一频效应的理论和实验研究证明,晶体谐振器的加速度灵敏度直接与装架的位置和结构有关。本文的目的就是要阐明低灵敏度晶体谐振器的一种新的设计方法。加在晶体振动部份的表面力和体积力的影响都必须加以考虑。本文将详细介绍这种新的设计方案。统计结果表明,目前在工业上在最不合适的轴向上能够达到的加速度灵敏度在3×10~(-11)/g和2×10~(-10)/g之间。这些数值是用相位调制反射计或用传统的振荡器以“2g翻转”测试法在所有方向上进行试验测得的(均以5MHz和10MHz加以说明。)     

新型无电极晶体振荡器的性能

无电极(BVA)石英晶体振荡器已在法国的Besancon研制成功并由瑞士的Neuchat-el oscilloquartz S.A.进行工业化生产。这种谐振器使石英晶体振荡器的长期性能得到改善。由于允许较高的激励电平,所以也保证了较好的短期稳定度[5][6]。已经用三种不同的振荡器获得了实验结     

96MHz耐振石英谐振器的研制

为了使在高速飞行器上所用石英谐振器具有能承受高强度振动和冲击的能力,把石英谐振器常用的磷铜丝支架改为特殊形状的镍片支架,研制出了96MHz 高频石英谐振器。给出了设计、制作方法和在正弦机械振动频率为10～2000Hz 扫描振动下的静态实验测试数据.测试数据表明,经过3小时以上的振动,这种高频石英谐振器承受住了300m/s~2的振动加速度.还简要地叙述了锁相环路中所用高频石英谐振器对振动加速度的要求.     

高性能SC切谐振器的设计

采用基频、三次和五次泛音设计的 SC 切α石英谐振器已经制造出来,其频率复盖范围为4MHz 到100MHz。一些设计数据表明,SC 切谐振器的理论最大 Q 值,要比 AT 切谐振器的高(15～20)％。例如,一种已经制成的60兆赫三次泛音 SC 切谐振器,其 Q 值达到25万,这个数字是 AT 切谐振器在该频率上的理论最大 Q 值。已经确定了几种 SC 切设计(平-平、平-凸、双凸,基频和泛音)的“零角”。Vig 用控制磨球面来调整5MHz 基频 SC 切谐振器转折点的方法,已经用于生产中。SC 切晶片的化学抛光法通过生产实践正在完善。研究表明,Vig 建议的1:4的氢氟酸-氟化铵溶液对 SC 切晶片的表面污染是完全允许的。然而,他建议的1:2氢氟酸-水溶液引起了 SC 切+X 表面的退化。所有磨球面的 SC 切的设计是这样进行的,即在晶片的同一晶面磨球面,这是在 Bond介绍的电路中通过对每个晶片的挤压试验来完成的。对用同样制造技术加工的 AT 和 SC 谐振器老化特性的研究表明,典型的 SC 谐振器进入最终老化率的时间要比 AT 的快(5～10)倍,而典型 SC 切的最终老化率有(2～3)倍的改进。     

AT切楔形石英谐振器的性能

众所周知,在晶体文献中,不平行的晶片表面将引起AT切谐振器性能的恶化。这种恶化是由于谐振器所要求的工作模的动态电容的减小所致,通常并不引起所观察的寄生模动态电容的相应减小。在假设晶片两边的厚度有微小线性变化(楔形)的情况下,已经研究出一种重电极矩形AT切晶片的厚度切变振动模式。这种模式预示出相应于各种非谐振动泛音模式的驻波将“聚集”在晶片的较厚区域。高次非谐模将比低次非谐模受到楔形的影响要小。这种性能的明显结果是最低次模的动态电容(所要求的工作模)将会减小,而高次模(寄生模)的动态电容可能一点也不减小。     

AT+SC切石英晶体谐振器热滞的自动测量方法和结果

本文的目的是要说明传统的HC—27/U玻璃壳封装的精密石英晶体谐振器温度补偿的极限。为了对限制补偿精度的谐振器的热滞(返回)进行测量,建立了计算机控制的滞后测量台,该测量台曾用来测量由3个德国厂家制造的多种晶体。与AT切晶体相比较,SC切晶体没有显示出实际优点。用数字温度补偿石英晶体振荡器可获得的频率稳定度,单仅晶体谐振器的热滞一项,就限制在△f/f=±1×10~(-7)左右。如果把用做补偿的温度传感器的不精确度和数字化的分辨误差加在一起,则对于连续生产而废品率不高的情况可以把可达到的频率稳定度假定为△f/f=±2×10~(-7)。这个数值实际上与工作温度范围无关。     

一种采用介质谐振器的X波段GaAsFET振荡器

一种采用介质谐振器的高稳定X波段GaAsFET振荡器已经研制出来。这种振荡器的频率稳定度低于±1MHz(-40℃～85℃),其外形尺寸大大地缩小了(20.3mm×12.6mm×8.8mm)。为介质谐振器研制了一种新材料Ba(NiTa)为O3—Ba(ZrZnTa)为O3,这种新型材料具有非常高的Q值和高的温度稳定性。在10GHz和Tf=0ppm/℃时,谐振器的特性为K=29,Q=10000。     

SC切10MHz高稳定度石英谐振器

为了满足航天技术对石英谐振器频率稳定性、幅频特性、辐照特性,以及耐高温和耐高加速度的要求,研制了 SC 切10MHz 三次泛音高稳定度晶体谐振器,介绍了在制作过程中某些关键工艺的解决途径。同时,也列出了此种谐振器的实际性能指标和用此谐振器组装的振荡器的稳定度指标。测试结果证明,SC 切晶体谐振器确实比 AT 切的具有更多的优点。同时,也指出了存在的问题.     

XB14型精密石英谐振器的研制

XB14型精密石英谐振器是为现代通信、导航和航天飞行器工程系统及地面高稳晶振研制的一种小型晶体频率控制元件。该谐振器采用了硬玻璃扁平壳和高频感应真空封接技术,具有体积小、密封性好、无封接污染,高可靠和低老等特点,它的频率范围在5～250MHz,老化率在10~(-8)～10~(-9)/d量级。