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。     

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。     

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。     

小型BVA 石英谐振器的研制

传统的BVA石英谐振器在老化率和Q值方面具有优良的性能,但其体积大,抗振可靠性较差,限制了其推广和应用。本文介绍了一种新结构的BVA石英谐振器,通过优化电容片和石英晶片的结构设计,研制出更小尺寸的异型石英晶片和电容片,整个小型BVA谐振器的尺寸减小到HC-40/U,性能指标与传统BVA石英谐振器相当,同时具有较高的抗振可靠性。     

谐振器工作在两频率上的简接幅频效应

使用单个石英谐振器,能够在加上几种激励电压情况下,同时得到几种谐振频率。几个振荡器可以使用同一个谐振器。但在信号幅度增加时,不会出现线性效应。各种不同振动之间的耦合,主要由下列两方面引起:1)振荡器之间的电子耦合。2)振荡材料本身引起的耦合(通过非线性效应)。文中只考虑了两个谐振频率之间的耦合,其实验数据符合 B.V.A 谐振器。为了消除振荡器之间的电子耦合,可用两个隔离的频率综合器对谐振器进行无源测试。主振模的频率变化,是根据其它模的幅度进行测量的。为了明确起见,把这种效应称做间接幅频效应(或引入的幅频效应)。这里介绍的一些特殊情况包括:采用三次和五次泛音和 B 模的5兆赫 AT 切和 SC 切晶体。本文给出了一些实验结果和曲线图,同时提出了一些应用。     

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。     

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。     

三次泛音石英谐振器

在频率达到并包含三次谐波厚度切变泛音时,解弹性片Lee-Nikodem运动方程可求出具有自由面和边的AT切石英晶片振动情况的解。     

部份球面石英晶体谐振器的设计

只有一边缘曲面的部分球面晶体谐振器常被用作低频范围的高Q值AT切器件。过去,已经提出过有关电极质量负载极小的均勻球面晶体的论述,但是要把只有一边缘曲面和镀回量不能忽略的扁平晶片的理论证明得使人信服就会困难得多。本文仿效以前的文章,通过对每一区域波导振荡模色散关系的严格推导,将问题简化为二维形式,精确到横向波数的二阶,这相当于标准的厚度切变截止模。已经采用一种量子力学的常用方法,把谐波振荡器的函数作为基本函数,并且根据这个基本函数以扰动法简化本征解。这种方法注意到了边界条件的自动匹配问题,而这的确需要对基本函数的大量数值加以积分计算,但是这一点用现代计算机是很容易完成的。     

激光束直接照射球面石英晶片引起的热-频特性

石英晶片的振荡频率特性是在把激光束作为一种探试器照射其各主要面的不同点时进行观测的。这种频率特性是各个切角所特有的,并且与几何形状和电极或支架的类型无关。 AT切晶片有三种部位显示出不同的热频特性。当激光器的照射功率相同时,IT切和SC切晶片的频率漂移总量约为AT切晶片频率漂移总量的1/5到1/10。这些结果使我们联想起可以通过使结构及电极对红外线的反射系数最佳来补偿晶体元件的热频瞬变。     

石英谐振器技术条件和特性在理论和实际上对精密石英晶体振荡器的设计和性能的影响

由于振荡器的性能总是比它所用的石英谐振器的性能要差,所以,谐振器是晶体振荡器的心脏。设计优良振荡器的重要目标是尽量减小振荡器和谐振器之间的这种性能差异。为了实现这个目标,充分地了解谐振器的性能是十分必要的。这就要了解谐振器的技术条件,以石英谐振器和振荡器的技术条件为基础的计算和振荡器的电路参数。本文对现有谐振器的技术条件作了阐明,并补充了一些有关振荡器和谐振器性能和电路的概念。文章内容特別适合于采用五次泛音低C_1的SC切精密晶体振荡器。     

复合谐振器的寄生谐振及模型

已经研究出几种可用于说明复合谐振器特性的三维模型。由这些模型推算出的谐振频谱(包括寄生谐振频率)与实验数据符合得很好。发现谐振器的几何形状和尺寸是引起寄生谐振的直接原因,并且与主谐振有重要的关系。已经发现谐振频率和材料性能密切相关,并对其实质进行了讨论。     

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。     

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。     

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。     

体波谐振晶片加速度灵敏度的测定

本文叙述了测定直接工作在微波频率的高次泛音钇铝石榴石(YAG)体波谐振晶片的加速度灵敏度的近似理论。高次泛音声体波谐振器比用其它方法更容易实现低相位噪声倍频微波源,所需硬件也少得多。在参考文献[1]中详细介绍了振荡器的设计及测试。本文通过分析及实验对振动灵敏度作了论述。在静态和振动状两种状态下,对钇铝石榴石(YAG)体波谐振器件进行了电测量。将约为4×10~(-11)/G的加速度灵敏度的计算值(K)与约为1.28×10~(-11)/G的测试值进行了比较。体波谐振的实测值约比典型的三类AT切石英晶体对运动的灵敏度要低两个数级量。     

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。     

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。