人工智能、人臉識別、全面屏”被業界視為近兩年智能手機產業的最主要創新驅動力,隨著技術的更新換代,對于內部電子元件的使用要求自然也在不斷上漲,就拿手機晶振來說,一部智能手機內部所使用的晶振少說也有6.7種,比如32.768K時鐘晶振,手機GPS定位用的溫補晶振,藍牙系統用的2016晶振,2520晶振,3225貼片晶振以及新增無線充電技術中用到的高精密石英晶振等等.

   隨著智能手機多功能,小型化,薄型化發展,小體積貼片晶振越來越受歡迎,是小型智能產品的首選.那么手機中使用到的貼片晶振型號頻率都有哪些呢？手機中會常用晶振頻率包括32.768K晶振,26M晶振,12M晶振,26M晶振,32M晶振等等.億金電子整理了一些較為常用的晶振型號給大家參考.

通過調節激光器的三個激光參數,來改變石英晶振頻率微調量,從而在不剝落晶振晶片表面電極層的前提下,達到最大頻率微調量。三個參數分別為:電流,頻率和Q脈沖寬度。

電流與石英晶振微調量之間的關系

固定頻率為5KIHz,Q脈沖寬度為50微秒,改變電流從10安到19安來測頻率微調量。

調節激光器的電流和激光掃描時間到適當的值,是可以實現對石英晶振,貼片晶振進行頻率微調的。雖然實驗中微調的量最小也是kHz數量級,但從兩組數據中可以看出只要電流和掃描時間調節的得當,進行幾Hz~幾百Hz數量級的頻率微調也是可行的,亦即實現晶振ppm級的頻率精度。

其次,從實現數據中可以看出頻率微調量在掃描時間固定的情況下,并不是與激光電流完全成正比;而在激光電流固定的情況下,也不是與掃描時間完全成正比的。這一方面可能與表面銀層對于激光的反射作用有關,大量的激光束被銀層反射回去,沒能用于對表面電極層進行氣化,只有通過加大激光電流的辦法來加強對表面的轟擊。但這樣一來很容易造成頻率微調量過大,超出了想要的頻率微調數量級的現象。

另一方面可能與整個石英晶振激光頻率微調實驗進行的環境有關。整個激光頻率微調實驗完全在大氣環境下進行,受激光掃描而氣化的分子受大氣中的分子顆粒的散射作用,重新返回晶振晶片表面,堆積在表面其他地方。這樣實際上晶振晶片的質量并沒有減小,由 Sauerbrey方程:

可知質量沒有改變就不會對石英晶振頻率產生微調,因而網絡分析儀就測量不出頻率的變化。這樣實驗時就會繼續加大激光電流或是增加激光照射或掃描時間。而這樣是不對的。因為實際上氣化過程在頻率真正得到改變前就已經發生了,只是石英晶振晶片總質量沒有改變從而不會對頻率產生影響。當增強后的激光照射在晶片表面時,有可能電流過大,穿透表面銀層,產生與圖3.5類似的情形,造成實驗失敗。

此外,從實現數據可以看出,激光掃描電流和激光掃描時間兩個參數并不是獨立作用的,并不是增加或減少其中的一個就可以直接影響晶振頻率微調量的。因而需要兩個參數相互配合,在實驗的基礎上達到一個最佳平衡點。

從實驗中可以推斷,除了激光掃描電流和激光掃描時間兩個參數外,還有其它的參數影響著實驗結果。如:氣壓,氣溫,甚至激光掃描路徑。因而需要大量、反復的實驗來找出這些關系,進而找到實現精確石英頻率微調的最佳方案。

從石英晶體諧振器的等效電路可知,它有兩個諧振頻率,即(1)當L、C R支路發生串聯諧振時,石英晶體諧振器的等效阻抗最小(等于R)。串聯揩振頻率用fs表示,石英晶體對于串聯揩振頻率fs呈純阻性;(2)當頻率高于fs時,L、C、R支路呈感性,可與電容C0發生并聯諧振,其并聯頻率用fd表示。工程技術中石英諧振器就工作在fs到fd范圍內或這兩個頻率的奇次諧頻上。

根據石英晶振的等效電路,可定性畫出它的電抗一頻率特性曲線如圖2.3所示。可見當頻率低于串聯諧振頻率fs或者頻率高于并聯揩振頻率fd時,石英晶體呈容性。僅在fs極窄的范圍內,石英晶體呈感性。石英晶體表面附著電極層后的膜系結構示意圖如圖24所示。

Sauerbrey方程用于描述石英晶體諧振頻率與晶體表面附著物質(此處為上、下兩面的銀電極層)之間的變化關系,該方程如下:

其中f0為石英晶振原始諧振頻率(單位為Hz),△f為晶振的頻率變化量(單位為Hz),△m為晶體變化的質量(單位為gcm-2),A是晶體有效面積(即電極面積,單位為cm2),pμ是石英晶體的密度,μφ為晶體剪切彈性模量。

對于指定晶振晶片,fo、A、pμ、qμ均為常數,因而, △f與△m的絕對值成正比,負號表示表面銀電極層質量的增加,會引起石英晶振諧振頻率的減少;而表面銀電極層質量的減少,會引起石英晶振諧振頻率的增加。即:增加銀層質量和減少銀層質量兩種方法都可以改變石英晶振的諧振頻率。

可見,附加的銀電極層會對石英晶振器的諧振頻率產生影響。因而工業生產中,一般先制作出與目標頻率接近的石英晶片并附加表面電極,再通過改變表面電極厚度方法,來微調晶振頻率以達到目標頻率。

采用離子刻蝕進行晶振頻率微調,在刻蝕后晶振的頻率會發生偏移。這會使頻率調整精度低于真空蒸著頻率調整法。如圖4-4所示,離子刻蝕后石英晶振頻率會產生偏移,縱軸表示與目標頻率的偏差,單位是pm。在刻蝕前,石英晶振的頻率相對于目標頻率是負的。在調整時,一邊用測頻系統測定石英晶振的頻率,一邊用離子束照射石英晶振的電極膜, 電極膜被刻蝕,頻率隨之升高。當刻蝕停止后,會出現頻率下降的現象。刻蝕剛停止的幾秒內,頻率下降較快,隨后下降會漸漸變緩,最后趨于穩定,不再變化。這種離子刻蝕后頻率偏移的原因比較復雜,其原因之一是因為離子刻蝕時對晶振晶片產生的熱應力。其理論依據比較深奧,在此不做討論。本文主要通過實驗,找出頻率偏移的規律,對石英晶振進行離子刻蝕加工時設定合適的參數,使得這種偏移在實際應用中產生盡可能小的影響。

現在用AT方向切割的石英晶片做成的石英晶振進行實驗,用離子束對晶片進行刻蝕,統計出蝕刻速度與頻率偏移的聯系。

實驗對象:A品種的石英晶振使用的晶片是長方形,尺寸為長1996u±3u,寬1276u±2a,晶片厚度為62.04u。目標頻率為26.998380MHz。晶片先用昭和真空生產的磁控濺射鍍膜機SPH-2500進行鍍膜,為了提高鍍層密著性,先鍍少量的鉻膜, 然后按頻率要求鍍銀膜,總膜厚約為1.73u。使得在離子束刻蝕加工前的頻率與目標頻率的差為2000ppm~300ppm之間。

實驗設備:離子束刻蝕頻率微調機使用昭和真空生產的SFE-6430T。離子槍的加速鉬片到晶片表面的距離為25mm,氬氣流量為0.35SCCM。

首先,進行較大刻蝕速度對石英晶振,貼片晶振進行刻蝕的實驗,測得偏移量。如表4和圖4÷5所示當刻蝕速度在1000ppm/s到2000ppm/s的范圍,離子刻蝕后的偏移量隨著刻蝕速度的增加而有很大的升高。如當刻蝕量為2000ppm時,頻率偏移量山刻蝕速度為1000ppm/s的35.8ppm快速增長到刻蝕速度為2000ppm/s的89.8ppm。當刻蝕量為3000ppm時,頻率偏移量便會超過100pm。此外,從圖4-5中可以看出,在同一刻蝕速度下,刻蝕后的頻率偏移量還會隨刻蝕量的增加呈線性升高。

其次,進行較低刻蝕速度對石英晶體,石英晶體諧振器進行刻蝕的實驗,測得偏移量。如表4-2和圖4-6所示,與高速時的情況類似,刻蝕速度增加時,刻蝕后的偏移量也會隨之增加。并且,在同一刻蝕速度時,刻蝕后的偏移量也隨刻蝕量的增加而線性增大。從圖表中可以看出,刻蝕速度減小后,刻蝕后的偏移量也會減小很多。當刻蝕速度減小到80ppm/s時,刻蝕量為200pm時,刻蝕后偏移量僅為2.5pm。如果進一步控制刻蝕量,當刻蝕量降到100ppm時,刻蝕后偏移量僅為0.2ppm,基本接近于0。因此在實際生產時,如果能將刻蝕速度控制到80pm/s,刻蝕量控制在100pm以下, 晶振的離子束刻蝕后的頻率偏差較大,且公差范圍較小,為了減少離子束刻蝕后頻率偏移產生的影響,提高產品的精度,可以采用3段加工模式,但是生產效率會有所降低)。

晶振離子刻蝕兩段加工模式如圖4-7所示,首先進行H段加工,用高的刻蝕速度和大的刻蝕量,從加工前頻率開始加工,等加工到設定的中間目標頻率后停止刻蝕,一段時間后,由于離子刻蝕后的晶振頻率偏移的影響,使頻率下降,回到L段加工前頻率。接著進行L段加工,用低刻蝕速度和小刻蝕量,從L段加工前頻率開始加工,等加工到設定的最終目標頻率后停止刻蝕,一段時間后,出于離子刻蝕后頻率偏移的影響, 使頻率下降,回到實際最終頻率,當實際最終頻率在公差范圍內就為良品,加工就結束。如果實際最終頻率低于公差范圍可以作為F-不良重新加工一次。如果實際最終頻率大于公差范圍,則只能作為F+不良而報廢。

而在實際生產過程中,由于操作員缺乏相關理論知識,不能精確的對加工參數進行設定。使得加工的產品會因為刻蝕速度過快,產生較大的頻率偏移,或直接產生F+。而刻蝕速度太低不僅會降低加工的效率,當時間超過設備的監控時間后,就會直接出現F-不良。

例如,在實際應用中,因為操作員沒有系統的理解以上理論知識,當A品種的石英晶振在進行離子刻蝕微調時,發現頻率分布整體偏低,接近20ppm。因為擔心現F-不良,希望將整體頦率調鬲。此時應該確認是否是因為H段加工時的速度太慢, 導致L段加工前的頻率過低。使得在進行L段加工時,時間過長,超過了設備的監控時間,而強制停止L段加工。

而操作員沒有經過確認就主觀的將最終日標頻率調高, 發現頻率略有上升,但仍然偏低。就調高L段的刻蝕速度,剛開始有一定效果,但是沒有達到理想狀態,就繼續調高L段刻蝕速度,此時不但沒有效果,反而因為速度太高,刻蝕后的頻率偏移使得頻率有略微的下降。并且出現因刻蝕速度的太高而產生的F+不良(如圖4-8)。因為沒有專業技術繼續調整,并且認為不良品數量不多,為了趕快完成當日產量,就繼續加工制品。此時,因為H段的刻蝕速度低,影響加工效率, 并由于F+的出現,增加了產品的不良數。

圖4-8各參數設置不良時離子刻蝕后頻率偏移的頻率分布表

為了解決這一問題,本文通過前幾節的知識和實驗數據,制定標準的參數。首先將最終晶振頻率設定在0pm。然后為了將L段加工的頻率偏移盡可能減少,就將L段的刻蝕速度設定為80ppm/s。為了控制L段的刻蝕量在100pm左右,將中間目標頻率設定在-45pm,H段加工速度設定為1600ppm/s,這是H段加工后的結果在50ppm~-0ppm之間,加上刻蝕后的頻率偏移使得L段加工的刻蝕量在-100pm120ppm之間。

按這樣的設定既可以保證L段加工的效率,也可以控制L段加工后的頻率偏移。使得最終實際頻率以晶振頻率為中心分布。將上述方法設定的參數作成作業標準書如圖4-9所示,讓作業員遵照執行。圖4-10是按此作業標準操作,對制品加L后的頻率分布。山圖中可以看出頻率是以日標頻率為中心分布的,并且分布比以前集中,也沒有不良出現。因此,本論文提出的方法可以提高產品的合格率。

晶振頻率標準的發展對于一個國家的經濟、科學與技術、國防和社會安全有著非常重要的意義。由于制造、交通運輸、通訊與信息技術的不斷迅猛發展,對時間和頻率測量的準確度和精確度要求也越來越高。導航、定位、大地測量、天文觀測、網絡授時和同步以及電網故障檢測中都需要高穩定度和準確度的晶振頻率標準。按照頻率標準的性能指標和應用領域來劃分,可以將其分為一級頻率標準(銫原子頻標)二級頻率標準(包括銣原子頻標和高穩石英晶體振蕩器)和其它頻率標準(包括除高穩石英晶體振蕩器以外的其他石英晶體振蕩器)。表11列出了常用頻率標準的準確度.

在各種高精度的頻率標準中,氫钅鐘中、銫鐘等都具有很好的長期和短期穩定度,但價格非常昂貴,一般用于國家授時實驗室,應用范圍非常有限。雖然銣鐘和高穩定度石英晶體振蕩器等二級頻標的頻率穩定度不如一級頻標,但價格低廉,體積較小,應用范圍非常廣泛。它們被廣泛用于通信、計量、應用電子技術、電子儀器、航空航天、雷達和因防軍工等各個領域,作為關鍵器件發揮著重要的作用。近年來由于通信業和軍工方面的發展和需求,我國精密石英晶體和原子頻率標準的需求也有了明顯的增長。

石英晶振頻率標準的三個基本技術指標是準確度、穩定度和老化率。晶振頻率標準和計時的精確度會受到科技發展水平的限制。影響頻率穩定度和準確度主要是溫度和老化,因此,國內外正在投入大量精力研究修正這些影響。下面詳細介紹這三種技術指標

1.晶振頻率準確度

用來描述頻率標準輸出的實際頻率值與其標稱頻率值的相對偏差。因為受頻率標準內在因素和外部環境(如溫度、濕度、壓力、震動等)的影響,實際石英晶振頻率值并不是固定不變的,而是在一定范圍內有起伏的值。計算表達式如下:

式中A為頻率準確度;fX為實際頻率值;fO后為標稱頻率為了得到準確的fX,至少應進行6次測量,采樣時間應該選擇相應的頻率穩定度影響可以忽略時的時間間隔。一般選擇的采樣時間為10s,使得在該時間內被測頻標的短期頻率穩定度比其準確度高出一個數量級。

2.晶振頻率穩定度

由于各種外界干擾,例如電子線路的熱噪聲,石英晶體諧振器內固有噪聲,器件的老化,環境條件的變化等,都會使石英晶體振蕩器的輸出頻率相對于標稱值發生波動,這種波動代表了輸出頻率的不穩定度。目前使用的頻率穩定度表征有兩種。即:頻域表征一相對頻率起伏的功率譜密度,它表現為信號的頻譜不純;時域表征一阿侖方差,它表現為頻率平均值的隨機起伏。二者在數學上是一對傅氏變換,因而是等效的。

實際的阿侖方差計算公式為:

式中f和f,分別為第i和第i+1次測量的頻率值;后為被測頻率源的頻率標稱值, m為測量的次數。

3.晶振老化率的表征和測量

單位時間內平均頻率的相對漂移量叫做漂移率。在石英晶體振蕩器中一般稱為老化率,而在原子頻標中一般稱為漂移率。大多數頻標經過足夠的時間預熱后連續工作,在一段不太長的時間內頻率的漂移呈現近似線性變化的特點。

老化率實用計算公式:

值;t為測量時序,i取1,2,3,…,N;fO為頻率源的標稱頻率;n為一天的取樣次數。

由于石英晶振頻率值隨時間的變化并不僅僅是線性的,石英晶體振蕩器往往是對數老化規律或倒數老化規律,所以從理論上講,每天測量的點數n越多越好。但是從實際測量和計算的方便來講,又希望n取得越少越好。通過大量的實驗,表明每天測量的次數n取兩次就可以了。經簡化后,每天測量的次數n取兩次,測量H天的日老化率KDH的基本簡化公式可以寫為:

原子頻標的日漂移率遠遠小于石英晶體振蕩器,因此一般按月漂移率給出。由于漂移率呈線性規律,所以月漂移率可以用日漂移率來推算。也就是:

由于高穩定度石英晶體振蕩器的老化率從更長的時間刻度來觀察呈現了隨著加熱時間的延續越來越小的特點,所以國外在考察高穩定度石英晶體振蕩器的年老化率時常常是在日老化率的基礎上乘以系數100。

晶振作為測量元件時的重要性能參數

石英晶振本身具有很多性能參數,除了前面所提及的串聯諧振頻率、并聯諧振頻率外,還有制造公差、拐點溫度等,已經有很多文獻對此作了論述但對于測量來說,選用石英晶體的重要原因是因為它的高頻穩定性和極小的振幅。所以本文只對晶體的品質因數、頻率一電流特性、頻率一溫度特性進行了論述。

  晶體的品質因數Q是晶體的最重要參數。在一定程度上,當其他條件相同時,Q值越高晶體振蕩器的頻率穩定度越高,石英晶振晶體的品質因數Q是由晶體的動態參數決定的,即：

其中ω為測試系數。

晶振的品質因數通常不作規定,對于標準部件,Q值通常在20000-200000之間,精密晶體可高達5×10°,這比傳統的微懸臂的Q值要高100-1000倍。

石英晶體諧振器的頻率一電流特性,就是激勵電平和諧振頻率的關系,它是由石英晶振的物理特性決定的。激勵電平通常以晶振的耗散的功率、流過晶振的電流以及晶振兩端的電壓來量度,晶振電流的變化使其串聯諧振頻率發生交化。石英晶振的諧振頻率相對變化與晶振電流的關系,可以用下面的近似關系表示：

其中D是振的電流常數

從上述關系式可以看出,當激勵電平增大時,產生了以下影響:(1)頻率產生了漂移,長期穩定性變壞。石英晶振晶振的彈性常數發生了變化,因此引起了頻率的漂移,隨著晶振的激勵電流增高,晶振的頻率穩定性顯著下降。(2)晶振溫度增加。當晶振的激勵電平過高時,使得石英貼片晶振被加熱到熱平衡的溫度也引起了頻率變化。(3)產生了寄生振蕩。(4)等效電阻加大。內部分子運動加劇,使得等效電阻加大,Q值下降。

在實際測量中,當激勵電流過大時,石英貼片晶振振蕩的幅值過大,導致測量的精度下降,同時不易控制樣品表面與針尖之間的距離,所以一般不能采用較高的激勵電流。但是激勵電平也不能過小,否則由于噪聲電平的限制,使瞬態穩定性變壞,這樣獲得的圖像質量就比較差。

晶振的另外一個值得注意的參數是晶振的頻率一溫度特性,所謂晶振的頻率一溫度特性就是石英晶振的諧振器的頻率隨溫度變化而變化的特性。晶振的工作溫度變化時,晶格變形,從而使得其串聯諧振電路發生變化。石英晶體諧振器在溫度較窄的范圍中,具有較小的溫度系數,這就是說頻率受溫度的變化的影響比較小。但隨著溫度變得較低(<50°C)和變得較大時(>80°C)時,石英諧振器的頻率隨著溫度的變化有較大的變化。在國外的文獻中已經有報道將晶振放在真空、低溫、強磁場的環境下進行測量,這時晶振的頻率將與常溫時有

明顯的不同,而且石英晶體諧振器切型不同,晶振頻率的變化方向也不同,所以在實驗室應該對測試溫度和環境加以控制。同時由于測試環境的變化,如何保持儀器的穩定性, 也是一個值得注意的問題。

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石英晶振的頻率是出石英品片的厚度以及電極膜的厚度決定的,為此,當調整此厚度就可以調整石英晶振的頻率。石英晶振的制作過程是先將石英晶片從石英晶體上按一定角度切下,然后按一定尺寸進行研磨,接著在晶振晶片兩面涂覆金屬電極層,此時與目標頻率相差2000ppm~3000p0m,每個電極層與管腳相連與周圍的電子元器件組成振蕩電路,隨后進行頻率微調,使其與目標頻率的差可以減少到2ppm以下。最后加上封裝外殼就完成了。

石英晶振的頻率微調是對每個石英晶振邊測頻率,邊調整電極膜的厚度。使頻率改變,達到或接近目標頻率。電極膜厚的調整方法主要有兩種,真空蒸著法和離子束刻蝕法。

真空蒸著法是在石英晶片的電極膜上用加熱蒸著的辦法繼續增加電極膜的厚度, 達到調整頻率的目的。這種方法結構簡單,易于控制。缺點是在石英貼片晶振晶片表面產生多層電極膜,并且密著度會變差,當石英晶振小型化時,會使原來的電極膜和調整膜的位置發生偏移,使石英晶振的電氣性能降低.

離子刻蝕頻率微調法,是用離子束將電極膜打簿,調整石英晶振的頻率。因此,不會產生多層電極膜,也不會有電極膜和調整膜的位置偏移,石英晶振的電氣性能也不會降低。

晶振英文名為Crystal,它是時鐘電路中最重要的部件,它的作用是向顯卡、網卡、主板等配件的各部分提供基準頻率,它就像個標尺,工作頻率不穩定會造成相關設備工作頻率不穩定,自然容易出現問題.由于制造工藝不斷提高,現在石英晶振的頻率偏差、溫度穩定性、老化率、密封性等重要技術指標都很好,已不容易出現故障,但在選用時仍可留意一下晶振的質量.

有源晶振是采用石英晶體的振蕩器,它的精度很高,而且能產生非常穩定的頻率,穩定性也要好于分立元件式振蕩器.在作用上來看,可以說晶振是各板卡的“心跳”發生器,人的“心跳”如果亂了就會生病,同樣,如果電腦板卡的“心跳”亂了同樣會出現各種怪故障.

      日本NDK晶振是業內人士都知道的,聲譽好,品質高,與KDS晶振,精工晶體,愛普生晶振,京瓷晶振等國際品牌齊名.NDK晶振集團的中文全名為日本電波株式會社,所生產晶振選用材料無鉛環保,早已獲得國際質量管理體系認證,具有使用可靠性高,低損耗等特點.

    NDK晶振是日本數一數二的晶振頻率元件制造商,發展至今仍堅持努力,不畏挫折,向困難挑戰,以提升技術為用戶創造更多,更優質,更精密石英貼片晶振.NDK晶振生產的NX8045GB晶振具有耐高溫,優良的電氣性,耐撞擊性最適用于汽車電子使用.下面億金電子給大家提供NDK陶瓷面NX1255GB晶振型號NX1255GB-25.000000MHZ晶振常用頻點編碼.

      貼片晶振中目前來說廣泛應用的最小體積就是1.6x1.2mm晶振,而世界最小尺寸也就僅有1.0x0.8mm,是京瓷CX1008晶振,最通用的大體積貼片晶振7050晶振和8045晶振. 11.80mm x 5.50mm晶振是MHZ貼片晶振中體積較大的一款,隨著產品小型化發展逐漸被小體積貼片晶振所替代.NX1255GB晶振是NDK晶振的型號,列表中為常用頻點,精度范圍控制在±50ppm值,具有精度偏差小,使用穩定性高等特點.NX1255GB晶振采用陶瓷面封裝,具有電氣性好,抗振性強,被廣泛用于汽車電子,辦公自動化,家用電器,兒童玩具等產品中.