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。     

声表面波气体检测器

本文介绍一种利用声表面波的新型气体检测器的试验结果。声表面波(SAW)压电气体检测器由制作在一块压电衬底上的SAW双延迟线组成,每一延迟线都接有一振荡器。在一根延迟线振荡器的传播路径上涂以选择性吸收薄膜,而在另一传播路径上则不涂复而用作稳定参考。由吸附在涂有薄膜的延迟线上的气体所引起的质量负载或应力效应造成的相位延迟变化,导致相对于参考振荡器的频率偏移。这种频率偏移是与气体浓度成比例的。由于SAW能集中在薄膜附近,故检测器的灵敏度很高。另外,只要给SAW压电气体检测器涂以相应的选择性薄膜,就可以检测任何气体。为了证明这一点,现已制成一个利用三乙醇胺薄膜测量空气中二氧化硫(SO_2)的检测器,并且已经证明能够检测出浓度为10×10~(-9)的二氧化硫。对灵敏度、线性、再现性、选择性和可靠性的研究,发现在大多数情况下比其它类型的气体检测器优越。本文讨论器件性能(例如选择性和随时间的稳定性)的主要缺点,以及改善的可能方法和进一步研究的方向。     

军用精密声表面波振荡器的研制

近年来,美国雷声公司已经有研制300～600MHz可军用的声表面波振荡器的课题;此种振荡器在频率调节能力和稳定性两方面均达当代最高水平。本文不讨论这种振荡器的详细用途。对它的要求一般为:(1)噪声本底必需至少为-160dBc/Hz;(2)振动灵敏度至少应与AT切体波器件一样好;(3)振荡器频率应能在大致±10ppm频率窗内进行调节并加以保持。在某些情况还要求加热时间小于3分钟。在满足这些要求方面,雷声公司已取得明显进展。本文将对这种进展加以讨论。在频谱纯度方面,文中讨论了二个题目:其一是低噪声放大器。实验证明,当它与310MHz声表面波谐振器联用时,噪声本底可达-176dBc/Hz。其二主要讨论了外部振动对噪声边带的影响。研制声表面波振荡器最重要的方面之一就是它的频率调节能力。利用金衬微调技术被证实既适用于延迟线也适用于谐振器。文中给出了实验结果,也讨论了在焊封过程中产生频移(约100ppm数量级)这一复杂情况。但已提出一种外部牵引频率技术来重调频率。在很多应用场合要求用恒溫箱以保持常温,于是就要求快速加热,而给出的数据要能显示出3分钟加热周期的频率稳定度。最后,除上述要求外,还要求声表面波振荡器的长稳保持在～1ppm/年的水平。利用提供的数据来确定冷焊密封在TO-8型外壳中的器件的基本老化率,同时也示出微调器件以及低振动灵敏度器件的变化率。     

用声表面波振荡器测量位移

利用声表面波(SAW)延迟线振荡器能制成一个位移传感器。这种延迟线振荡器具有两块铌酸锂(LiNbO_3)板,每一块板的表面带有一个叉指式换能器(1DT),把两块板的传播表面的一部分相互搭接在一起。在声表面波传感器中,振荡频率取决于声表面波元件的传播途径长度,这个长度通过移动振荡器的两块铌酸锂板中的一块板来改变。本文所说的声表面波位移传感器具有很高的灵敏彦,达300Hz/μm 和1.0kHz/μm。它是通过在 Y—X 两块铌酸锂板的表面上分别用6.5对(间距为0.55mm)和5对(间距为0.4mm)的叉指式换能器来实现的。声表面波延迟线振荡器的模态转换在某个给定的传播途径长度上出现,可用频谱分析仪观察。     

温度补偿晶体振荡器的调查和试验结果

为了评定中精密和高精密温度补偿晶体振荡器的使用价值和质量,购买了各种类型的振荡器并进行了试验。试验包括频率一温度稳定度和老化。我们发现,在稳定度为1—5×10~(-6)范围内的振荡器符合技术条件,只是老化特性的差别很大。在0.5×10~(-6)和1×10~(-6)之间的振荡器却不太顺利,有相当百分比的数量不满足技术条件要求。这些振荡器的老化比较好,但在很多情况下仍使人失望。没有发现价格和性能之间的相关性。用户已知道,在计划将振荡器用于系统之前,要对备用的振荡器仔细地加以测定和试验。     

用声表面波传感器作惯性制导和水声检测

本文研究声表面波传感器在惯性制导和水声检测方面的应用。在水声检测中,由于声表面波石英的动态负载而不是静态负载导致声表面波振荡器的频谱信息包含有边带。研究已经证明,传感器样机的灵敏度(用信噪比表示)至少与普通水听器的相当。声表面波作加速度计可提供高准确度、大动态范围(10~6)和不用模-数转换就可获得数字输出。采用比较简单的数字处理技术,加速度计就能够提供惯性数据,例如速度和位移。对声表面波加速度计的总误差率的研究证明,它们的误差率始终小于每小时一海里。声表面波振荡器传感器在高性能、中等价格的传感器应用方面是一种很有希望的竞争者。     

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。     

用声表面波传感器进行压力和温度测量

本文介绍两种不同的声表面波传感器,即弱压压力传感器和声表面波温度传感器。压力传感器制作在一薄的石英晶片上,使两束表面弹性波在同一方向但在两个不同的侧向位置上传播。加在下表面上的压力的变化引起强烈的弯曲,从而改变两波的波速。采用差动检测法能够测出波速的变化(或者相应振荡器的频率偏移),同时也能够人大地消除因温度波动所引起的假速度(或频率)的变化。通过计算应变分布和相应频率漂移来得出石英薄片上声表面波延迟线具有最大压力灵敏度,而温度影响最小的两位置。把Y切割的理论结果与在105MHz取得的测帚结果进行了比较, 用具有LST和JCL晶向的石英片制作的温度传感器已在灵敏度(28ppm/K)、线性、响应时间(0.1S)和分辨力(50μK)方面进行了测试。将用表面波温度传感器取得的温度测量结果与用体波温度传感器(LC切)所测得的结果进行比较,提出一种采用声表面波温度探头的新型石英温度计。     

提高边缘振荡器的频率稳定性

核磁共振测场仪的关键部分是射频振荡器,射频振荡器的工作状态决定了吸收信号的形状、大小,也决定了振荡幅度和频率。其频率范围又决定了仪器测量范围。振荡幅度取决于正反馈的强弱。由于核磁共振信号比较小,为了提高灵敏度,防止出现共振饱和现象,振荡器工作在临界状态,所以这种振荡器也称为边缘振荡器。典型电路如图所示。     

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。     

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。     

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。)     

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/℃、     

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。     

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。     

一种低压低功耗的环形压控振荡器设计

设计了一种低压低功耗的环形压控振荡器,它由电压电流转换（V to I）电路及5级延迟单元（delay cell）组成。单位延迟单元采用改进型差分结构,提高了上升及下降速度。同时总的延迟环路采用电容滤波技术,进一步改善了相位噪声性能。分析了环形VCO的相位噪声。电路采用SMIC13V33 1P6MLOGIC工艺,电源电压为1.2 V,仿真结果显示：VCO中心频率为350 MHz,调谐范围为（200-500）MHz,谐振在350 MHz时相位噪声位为-89.5 dBc/Hz@10 kHz,输出波形峰值为0.7 V,功耗为1.2 mW。该VCO可以应用于系统时钟锁相环中。     

一种新型的微机补偿晶体振荡器及开发系统

提出了一种新型的以微处理器为核心的AT切温度补偿晶体振荡器 (MCXO)的设计思想 ,说明了其开发系统的原理 ,给出了最后的实验结果。使用该开发系统得到的这种振荡器可以工作在 - 40℃～ 85℃的环境内 ,频率—温度稳定性≤± 5× 10 - 7。     

超稳定激光钟

空军为满足先进战斗机的需求已提出高准确度定时频率源和精密惯性导航系统的要求。作者曾提出一种采用多频环形激光陀螺仪(RLG)同时作为陀螺仪和钟的方法。这种器件采用带附加检波器的多频环形激光陀螺,该检波器用于检出583MHz的拍频,并相应地配上必要的电子部件,以产生5MHz的钟信号。已完成两套环形激光陀螺的试验工作。第一套环形激光陀螺在低速旋转时并不起陀螺仪的作用。稳定度数据在lms与200ms之间是较好的,但时间更长则开始变坏。第二套环形激光陀螺起陀螺仪的作用,不过来曾在试验中作过相应的测试。频率稳定度达到4.6×10~(10)/lms;3.4×10~(-10)/10ms;8.7×10~(11)/0.1s;1.6×10~(10)/1.0s;4.5×10~(10)/10s;4.8×10~(-9)/100s。从lms到200 ms的数据主要受量子系统限制。长期稳定度变坏显然是由法拉第转子的温度漂移所引起。建议采用补偿法以改进准确度。环形激光陀螺钟是一种传递型频标,因而在使用前必须调节到参考频率源的频率上。目前可按全球定位系统(GPS)、联合作战情报发布系统(JTIDS)、雷达技术或直接连接到一时间标准等办法作参考来调节环形激光陀螺钟。     

CMOS集成压控振荡器设计

通过分析CMOS差分负阻振荡器的工作原理,得到电路结构和参数的优化方案。基于0.18μm工艺,采用片上电感和可变电容,设计了一种基于开关调谐电容结构的宽可调范围的分段线性互补型交叉耦合CMOS集成压控振荡器。在提高振荡器的可调范围的同时,降低相位噪声。电路采用HSPICE进行仿真,在1.8 V电源电压下,振荡频率的变化范围为1.55 GHz~2.86 GHz,可调范围约为60%。功耗为5 mW~10 mW,相位噪声在10 MHz频率偏移处为-110 dB/Hz。     

50MHz温度补偿晶体振荡器的研制

本文简要地讨论了采用50MHz三次泛音晶体的温度补偿晶体振荡器,分析了振荡电路,介绍了热敏电阻网络的计算方法。为改进计算而采用了比较简便直观的逐次渐近法。最后,给出了实验电路及测量结果。结果表明补偿后的50MHz晶振在宽温度范围内(-40℃～+60℃)具有±1×10~(-6)的频率稳定度。