SC切石英谐振器

编者序 SC切是体波切型族中一个属名。“SC”是由“Stress compensated”取其词头缩写而成。这种叫法在国际上普遍为大家所承认、所接受,成为一种为人们所感兴趣的切型。追溯其发展史,将近十年。一九七四年,在国际超声年会上,Holland首次提出了这种切型的理论予言,当时叫做“TS-Cut”(Transient Stress-Cut),其切角(ф,θ)二22.8°,34.3°。     

SC切石英晶体谐振器在甚高频低噪声振荡器中的应用

晶体控制的甚高频振荡器广泛应用于具有优良短期频率稳定度和低相位噪声的信号发生器中。这种振荡器均采用工作在泛音模的 AT 切晶体。由于 AT 切晶体谐振器的幅频效应,使相位噪声难以进一步减小。双旋转切晶体(例如 SC 切晶体)的幅频效应较 AT 切的小得多。因此,可使 SC 切晶体工作在较 AT 切晶体所允许的更大的激励电流上。如果能使振荡器固有的相位起伏不随晶体电流的增大而显著增大,则采用 SC 切晶体元件可以改善晶体控制甚高频信号发生器的短期频率稳定度和噪声。曾用三次泛音 SC 切晶体(而不是用五次泛音 AT 切晶体)进行过100MHz 低噪声振荡器的实际可行性试验。对 SC 切和 AT 切晶体元件的相频特性进行了测量。测量结果表明,晶体元件的功耗能够比使用 AT 切晶体增加6-10dB。对用双极结型晶体管振荡器的噪声源的检查表明,二次及三次失真是造成实际振荡器呈现显著相位闪变的原因。从解凡得堡(微分)方程中出现的频率校正项可了解到减小频率闪变的要求。桥式 T 形振荡器适合于作 SC 切甚高频晶体振荡维持电路。曾研究过这种电路的噪声源(包括调幅闪变噪声的幅相变换),并得到了对上述振荡器所预期的 L(f)的估算值。对相同的一对振荡器进行了测量,预计的 L(f)和所测得的 L(f)很一致。结果表明,和 AT 切甚高频晶体控制振荡器相比较,SC 切晶体控制的甚高频振荡器的L(f)得到了显著改善。     

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。     

用修磨球面的方法调整SC切谐振器的频率-温度特性

本文研究了修磨晶片球面对基频、三次泛音 SC 切晶体的频温特性的影响。已经发现,SC 切晶体的频温特性对晶片的球面非常灵敏,并且发现在重新研磨晶片球面时,偏转点温度斜率的变化与球面的变化近似线性关系。对 AT 切晶体,球面是设计的一个关键。对类似的 SC 切谐振器,能够在很宽的不同球面范围内获得令人满意的性能。已成功地将球面与温度特性的依赖关系应用于“角度校正”SC 切谐振器。本文介绍这种“角度校正”的几个例子。本文还报道了电极尺寸对频温特性影响的一些初步结果。     

SC切晶体谐振器工艺的改进

以前,我们已经讨论了 SC 切晶体的制作,从石英材料切割双转角晶片的技巧和确定 g 灵敏度的试验方法。本文将论述下列几个问题:1)一种采用旋转 X 切法的简化 X 射线定向;2)改变Ψ角时,频率随加速度的变化;3)介绍一个 SC 切成品晶体振荡器的试验结果。     

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.     

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。     

声表面波谐振器稳定的振荡器

本文将系统介绍一种用两端对声表面波谐振器(SAWR)作为基本频率控制单元的反馈射频振荡器的设计方法,讨论振荡器频率牵引范围和稳定性之间的折衷选择方法。已经研制出一批甚高频振荡器。这种振荡器的制造成本最低,性能又好。已有十万个以上这种振荡器投入实际使用一年多。效果很好,没出毛病。文中还提出了一些有关使用场效应晶体管(FET)和双极晶体管振荡器的老化特性数据。此外,对振荡器的频率牵引和温度稳定性之间的互相影响作了广泛的研究。     

XB03、XB04型石英谐振器设计定型和SC切型石英谐振器鉴定会议在京举行

1987年8月20日,XB03、XB04型石英谐振器的设计定型,以及 SC 切型10MHz 高稳定石英谐振器的技术鉴定会议在北京举行。这是航天部二院二○三所又一次成果鉴定会议。会议由二院科技委副主任李蕴滋主持,部内外的同行、专家和业务机关的代表共48人参加了会议。与会代表听取了产品的技术总结和有关报告,参观了工艺生产线,并进行了讨论。会上,中国计量科学研究院和航天部五院五○四所代表分别介绍了产品的使用情况,并     

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。     

晶片几何形状对AT和SC切石英谐振器加速灵敏度的影响

AT切谐振器的加速灵敏度与晶片的曲率密切相关。片子的球面变得较平时,加速灵敏度系数差不多随着屈光度值线性地减小。已经研究过四种类型的AT切谐振器:5MHz基模,5MHz三次泛音,10MHz三次泛音和20 MHz基模。已经发现给定球面的双凸谐振器并不比同样球面的平凸谐振器的加速灵敏度更低。据观察,晶片的曲率和SC切谐振器的加速灵敏度没有关系。设计的大量的基模和三次泛音AT与SC切谐振器已通过鉴定。至今,设计得最好的AT切谐振器的加速灵敏度并不比设计得最好的SC切谐振器的加速灵敏度差。     

电调节砷化镓声表面波谐振器振荡器

已经用砷化镓制作出高 Q 表面波谐振器,并且用来控制振荡器的频率。由于砷化镓既是压电材料,又是半导体材料,因此有可能用来对全单片振荡器进行电调节。曾对半绝缘基片上的表面波谐振器的参数进行了研究。这些器件既有刻槽,又有金属电极反射栅。可调节频率的声表面波谐振器被制作在用肖脱基势垒电极作为谐振器栅的外延砷化镓基片上。调节频率并不显著改变介入损耗。两端对谐振器的介入损耗值典型的在15和20dB 之间,在180兆赫的负载 Q 值高达12000。虽然砷化镓的延迟温度系数为52ppm/℃,但是,可以通过加一层 Au/SiO_2对砷化镓延迟线进行温度补偿。     

晶体谐振器—振荡器测试设备及测试结果

一、引言美国陆军电子技术及器件实验室(ETDL)的频率控制与计时分部的主要任务是要提高晶体谐振器与振荡器工艺水平,以满足军队用户的要求。第二个任务是向计划管理人员、系统设计人员提供谘询并维持晶体谐振器与振荡器的军用技术指标(也就是MIL-C-3098和MIL-0-55310)。这些任务要求对晶体谐振器和振荡器的工艺水平有详细而实际的了解。本文的目的是概述本实验室的技术力量,介绍一些研究结果,并在需要时向国防部所属用户提供晶体振荡器的测试、选择、技术指标和研制方面的帮助。     

用数字补偿法降低声表面波振荡器的温度灵敏度

本文介绍一种用数字补偿法降低声表面波振荡器温度灵敏度的方法。AT切石英声表面波振荡器的初步研究结果表明,在-13到+97℃温度范围内,频率的变化从191.7×10~(-8)减小到5.2×10~(-6)。主要特点是在同一基片上使用两个延迟电路。第一延迟电路被调节来与声表面波具有低温灵敏度的方位保持一致。借助于反馈回路的振荡,该电路提供更精确的频率和时钟。第二延迟电路被调节来与声表面波具有高温灵敏度的方位保持一致,并通过其振荡频率起测温器件的作用。利用直接安放在基片上的温度表,把热接触和时间常数问题减到最小,从而得到准确的温度传感。温度表的频率(温度的一种直接量度)是递减计数,以便给预先校准好的只读存贮器提供地址。在每一温度上均在ROM的数据线上产生一个保持稳定时钟频率所需要的移相器控制字,然后送到电子可变移相器。     

快速加热的SC切晶体振荡器

本文讨论尾部警戒雷达方案中所采用的石英振荡器的设计和研制。在经过改进的比例控制恒温器中使用 SC 切晶体已获得极好的加热特性。仅五分钟后,稳定度达到1×10~(-8)。该振荡器工作在10兆赫,利用 TO-8型外壳的三次泛音 SC 切晶体。缩小了比例控制恒温器的尺寸,以便得到快速加热所需的最小质量。本文介绍该振荡器的结构和电路设计,并讨论加热、温度稳定性和其它特性的测试结果。文章介绍了有关 SC 切晶体对“g”灵敏度和辐射灵敏度的附加数据。辐射数据表明,稳定度比用 AT 切晶体的要高1-2个数量级。     

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。     

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。     

Seektalk铷振荡器的振动补偿

过去,都未曾设计过在剧烈振动条件下工作的原子振荡器。近年来,已设计出一些振荡器能够经受一定的振动,但是,现在要求它们能适应峰值为14g的正弦振动和频谱为0.5g~2/Hz或更高的随机振动。在几年前,也许只要求原子振荡器在这些条件下不被损坏,而现在却是它正常工作的环境条件。改善铷振荡器的加速度敏感性的努力已在铷的部分取得成功,但是,当把晶体振荡器的频率倍增到6.8GHz对铷询问时,石英晶体振荡器中振动产生的边带,就带来了很大的困难。当然,晶体振荡器输出的频率对用户也是有用的,但用户在倍增到超高频或微波时也有类似的困难。减少这种困难的途径有:(1)“非晶体”振荡器,(2)比较不灵敏的石英晶体,(3)加速度计补偿电路,(4)上述几种方法的结合。本文致力于研究振动的加速度计补偿和晶体的加速度灵敏度。R.L Filler博士和V.R.Rosati完成的研究工作中应用了大量的參考资料。我们的计划是把政府机构的研究成果与Efratom的研制能力结合起来,生产一种小型化的铷振荡器,这种振荡器是一种适合于在恶劣的Seektalk振动环境下工作的精密原子振荡器。     

温度补偿方法

早在60年代初期,晶体振荡器的温度补偿技术就被成功地使用了。自那时以来,出现了大量的补偿网络和补偿技术,并都取得了不同程度的效果。本文论述应用于精密晶体振荡器补偿的几个主要方法。这些方法列于图1。实验模拟     

矩形AT切谐振器中耦合模的能陷

沿Z′方向伸长,宽(沿x)厚比(～3)小的矩形AT切谐振器,有很强的能陷,而这个问题在理论上还没有搞清楚。在特定的实验条件下,用干涉法测量与e~(?)成比例的振幅衰减,得出(?)=0.33,然而按照肖克雷(Shockley)等人(1966)的能陷理论,则得到(?)=0.088。测得的衰减常数与观察到的质量因数(一般为500000)是一致的。用闵德林(Mindlin)(1951)的及闵德林和盖奇斯(Gazis)(1961)的片子公式,可以把厚度切变与弯曲和面切变的耦合考虑进去。尽管如此,还是得到了同前面理论值几乎一样的衰减常数。这种谐振器的固有稳定度优于10~(-10)/秒。