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。     

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。     

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。     

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。     

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/℃、     

带有补片电极的矩形AT切石英片的厚度切变、厚度扭转和弯曲振动

本文研究了补片《矩形》电极尺寸和质量对镀膜矩形晶体片的振动和能陷的影响。文中采用晶体片振动的Mindlin二维近似方程来保留厚度切变、厚度扭转和弯曲的耦合膜。通过采用位移公式以有限元法获得数值解,此解满足晶体片的边缘静止条件和在晶体片镀膜与非镀膜交界处的应力和位移的连续条件。文內对位置对称的补片电极矩形AT切石英片进行了数值计算,获得了晶体片和电极不同尺寸和不同质量时的谐振频率及其相应的二维振动膜。Mindlin和Lee,Lee和Spencer及Tiersten把计算结果同现有的分析结果做了比较,而Curran和Koneval把计算结果与实验数据进行了比较。所得二维Bechmann数基本上取决于三个参数:电极长度与晶体片厚度之比;电极宽度与晶体片厚度之比;以及电极质量与晶体单位面积质量之比。     

5MHz空气隙石英谐振器的研制

通常的高精密石英谐振器采用的是电极膜直接被在石英晶体谐振片上,玻璃壳火封或冷压焊封装结构。本文介绍一种结构全新的高精密石英谐振器的设计、工艺和性能。它的电极膜是被在靠近石英晶体谐振片的上下二个电容器上,电极膜与谐振片形成空气隙形状,所以称为空气隙石英谐振器或无电极石英谐振器。它的外壳采用了密封性能很好的金属化氢焊和电子束焊封接装技术,使产品提高Q值和改进老化。尤其是石英晶体谐振片采用了SC切型进一步提高了短期频率稳定度和加速度灵敏度。     

离子束刻蚀高频石英谐振器

一、引言 AT切型石英谐振器具有良好的频率温度特性和零温度系数点,它的谐振频率f和晶片的厚度成反比,所以只要从工艺上能够不断地减薄石英晶片的厚度,就能不断地提高晶片的谐振频率,可使组装的晶体振荡器减少倍频单元,缩小体积,提高稳定性。但是     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

用于石英谐振器研究的频域反射计

本文介绍一种用于精确测量石英晶体谐振频率特性的调相频域反射计系统的概念和工作原理。反射计法容许被测晶体谐振器远置于一环境试验箱中;这系统还能同时而又单独地对任一给定晶体中发生的不同谐振模(例如,SC切晶体中的b模和c模谐振)进行频率测量。这一反射计技木主要适用于对谐振器进行以下基本研究:频率一温度特性的研究;滞后现象和热冲击效应的研究;幅度一频率因数和多模激励特性的研究以及核幅射效应的研究,等等。本仪器也可应用于晶体生产过程,包括自动化生产、测试以及质量控制等。     

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。     

反应式离子刻蚀调节对石英声表面波谐振器电特性和温度特性的影响

近几年来,声表面波谐振器已经发展到在甚高频和超高频振荡器电路中使用的程度。与使用倍频电路的低频体波晶体相反,使振荡器工作在末级频率上的优点是众所周知的。如果要求用商用频率源复盖整个频带,就需要许多掩模,(因为一个掩模生产一个单一频率的谐振器)或一个有效的调节程序。为了减少所要求的掩模数,这个调节程序必须调节范围宽,对器件的其他特性影响小。对石英的反应式或离子刻蚀满足了这些原则。据文献报道,这种技术可以用来以隐埋的或者表面的换能器和以开槽反射器调节谐振器。我们的这些器件,是用镀铝表面换能器和反射器制成的。用CF_4和O_2等离子在平面反应器上刻蚀,结果在石英中刻蚀出了沟槽,并且对起掩模作用的铝模的影响极小。这些沟槽导致换能器和反射器组合中表面波速度较低,从而使频率向下偏移。以这样的速度同时产生的偏移可以用来在器件性能下降过大之前提供很大的调节范围。这样刻蚀可以影响器件的电特性和转折点温度。本文就甚高频频段的谐振器,研究这两种特性对器件的影响。还介绍了工作在194MHz上的谐振器的数据。     

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。     

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。     

可伸缩挠性结构的稳定性研究

研究了一类可伸缩挠性梁结构的稳定性。主要结论有：一般可伸缩挠性梁结构的动力学可由刚体姿态运动、挠性体振动和梁伸缩运动相耦合的混合偏微分方程和常微分方程描述;结构振动与转动能量的耗散与积聚取决于梁的伸缩运动,在伸展过程中系统的能量被耗散,在收缩过程中系统能量被积聚,在平台保持过程系统能量维持不变。因此,梁的伸展过程是稳定的,梁的收缩过程是不稳定的,而平台保持过程是临界稳定的。     

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。