GPS定位系統(tǒng)是靠車載終端內(nèi)置SIM通過移動(dòng)GPRS信號(hào)傳輸?shù)胶笈_(tái)來實(shí)現(xiàn)定位。在遠(yuǎn)的地方定位人的行蹤。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的前身是美軍研制的一種“子午儀”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，GPS全球定位系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代由美國陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航GPS定位系統(tǒng)。
GPS定位系統(tǒng)工作原理是由地面主控站收集各監(jiān)測站的觀測資料和氣象信息,計(jì)算各衛(wèi)星的星歷表及衛(wèi)星鐘改正數(shù),按規(guī)定的格式編輯導(dǎo)航電文,通過地面上的注入站向GPS衛(wèi)星注入這些信息。測量定位時(shí),用戶可以利用接收機(jī)的儲(chǔ)存星歷得到各個(gè)衛(wèi)星的粗略位置。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和自身位置,由計(jì)算機(jī)選擇衛(wèi)星與用戶聯(lián)線之間張角較大的四顆衛(wèi)星作為觀測對象.

GPS接收機(jī)正常工作的條件是至少同時(shí)可以接收到4顆衛(wèi)星的有效信號(hào),當(dāng)接收到的衛(wèi)星個(gè)數(shù)少于4顆時(shí),定位和定時(shí)信息是不準(zhǔn)確的甚至是錯(cuò)誤的。出現(xiàn)這樣的原因一般有:個(gè)別衛(wèi)星退出工作、天線安裝位置不當(dāng)、衛(wèi)星故障等, 這些都有可能造成接收到有效信號(hào)的衛(wèi)星個(gè)數(shù)過少。

而且有實(shí)驗(yàn)證明即使將接收天線從接收機(jī)上拔掉,在其后的很長一段時(shí)間內(nèi)GPS接收機(jī)仍有PS輸出,但此時(shí)的1PS與UTC已經(jīng)有很大的差別,由此可見,GPS接收機(jī)完全有可能輸出錯(cuò)誤的lPPS信號(hào)。另外,信號(hào)在傳遞過程中受到來自外界電磁信號(hào)的干擾,GPS接收機(jī)輸出的1PPS信號(hào)中可能含有毛刺,導(dǎo)致偽1PPS信號(hào)的產(chǎn)生,從而導(dǎo)致系統(tǒng)的誤動(dòng)作,因此有必要采取抗干擾措施。這里采用硬件開窗方法消除干擾2,原理如圖4.1所示。

圖中的CLK信號(hào)由高穩(wěn)定度的恒溫晶振提供,在系統(tǒng)上電復(fù)位后,啟動(dòng)單片機(jī)的串行通訊口,接收GPS信息,根據(jù)解碼信息中的工作狀態(tài)指示判斷PPS的有效性。當(dāng)初始觸發(fā)分頻信號(hào)到來之后,通過控制信號(hào)設(shè)置FPGA中的計(jì)數(shù)器在接收到的GPS1PS上升沿的附近產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)間的高電平窗口信號(hào),相當(dāng)于一個(gè)與門,過濾掉窗口外的干擾信號(hào)。

另外,通過單片機(jī)自帶的外部中斷模塊來對去掉干擾后的PPS信號(hào)的上升沿進(jìn)行檢測,根據(jù)檢測結(jié)果判斷GPS接收機(jī)是否正常工作,來決定系統(tǒng)的工作模式是馴服模式還是保持模式,具體消除1PS中干擾脈沖的波形圖如圖4.2所示。

下面主要介紹處理干擾時(shí)的重點(diǎn):

1.初始觸發(fā)分頻信號(hào)的判斷

系統(tǒng)初始化后,用單片機(jī)的外部中斷連續(xù)三次檢測來自GPS接收機(jī)的1PPS信號(hào),如果三次都檢測到則給出初始觸發(fā)分頻信號(hào)。

2.設(shè)置合理的“窗口”信號(hào)

由于OCXO恒溫晶振的輸出頻率比較穩(wěn)定,當(dāng)初始觸發(fā)分頻信號(hào)到來吋刻起,利用FPGA中的計(jì)數(shù)器和OCXO石英晶體振蕩器輸出的倍頻信號(hào)可以大致計(jì)算出下一個(gè)有效PPS脈沖的到來時(shí)刻,經(jīng)過(1-△)秒后打開“窗口”,在計(jì)算得到的第二個(gè)PPS脈沖的到來時(shí)刻

后的M秒后關(guān)閉該“窗口”,只要M選擇得足夠小,則抗干擾效果就非常的明顯。

3.GPS信號(hào)的失效檢測及處理

對于整個(gè)馴服系統(tǒng)來說,GPS信號(hào)丟失會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果,原因可能是接收機(jī)接收到的衛(wèi)星個(gè)數(shù)少于四顆,如上面所說的天線的安裝問題等,使接收機(jī)處于非正常工作狀態(tài)。或者是GPS接收機(jī)與單片機(jī)模塊或者與門邏輯的接口出現(xiàn)問題,使GPS秒脈沖信號(hào)或時(shí)間狀態(tài)信息不能正常傳輸。

假如是第一種情況,接收模塊可通過GPS接收機(jī)串口輸出的狀態(tài)信息判斷其輸出信號(hào)是否失效,后面的軟件程序作出相應(yīng)的處理。假如是第二種情況,屬于兩種功能模塊之間的通信故障,系統(tǒng)相關(guān)模塊不可能從GPS接收模塊獲得GPS的工作狀態(tài)信息或者秒脈沖信號(hào),GPS_1PPS秒脈沖入口處的電平不會(huì)出現(xiàn)任何變化。

此時(shí),相關(guān)模塊必須有獨(dú)自判斷GPS是否失效的能力。可以在“窗口”信號(hào)開通期間使用單片機(jī)相關(guān)外部中斷模塊,如果沒有檢測到正確跳變,說明GPS信號(hào)失效;如果“窗口”信號(hào)開通期間相關(guān)中斷模塊能捕捉到正確跳變,則說明GPS信號(hào)可能已恢復(fù)正常,此時(shí)系統(tǒng)可以繼續(xù)對恒溫晶體振蕩器OCXO進(jìn)行校準(zhǔn)。

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關(guān)于晶振的信息億金電子在前面的文章中已經(jīng)提到過很多次了,大家有不懂的可以到億金新聞動(dòng)態(tài)中了解.下面我們要說的是關(guān)于石英晶振晶片的由來以及石英晶振晶片的工作原理.

石英晶振晶片的由來

科學(xué)家最早發(fā)現(xiàn)一些晶體材料,如石英,經(jīng)擠壓就象電池可產(chǎn)生電流(俗稱壓電性),相反,如果一個(gè)電池接到壓電晶體上,石英晶體就會(huì)壓縮或伸展,如果將電流連續(xù)不斷的快速開「關(guān),晶體就會(huì)振動(dòng)。

在1950年,德國科學(xué)家 GEORGE SAUERBREY研究發(fā)現(xiàn),如果在石英晶體,石英晶體諧振器的表面上鍍一層薄膜,則石英晶體的振動(dòng)就會(huì)減弱,而且還發(fā)現(xiàn)這種振動(dòng)或頻率的減少,是由薄膜的厚度和密度決定的,利用非常精密的電子設(shè)備,每秒鐘可能多次測試振動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)對晶體鍍膜厚度和鄰近基體薄膜厚度的實(shí)時(shí)監(jiān)控。從此,膜厚控制儀就誕生了。

薄薄圓圓的晶振片,來源于多面體石英棒,先被切成閃閃發(fā)光的六面體棒,再經(jīng)過反復(fù)的切割和研磨,石英棒最終被做成一堆薄薄的(厚0.23mm,直徑1398mm)圓片,每個(gè)圓片經(jīng)切邊,拋光和清洗,最后鍍上金屬電極(正面全鍍,背面鍍上鑰匙孔形),經(jīng)過檢測,包裝后就是我們常用的晶振片了。

用于石英膜厚監(jiān)控用的石英芯片采用AT切割,對于旋光率為右旋晶體,所謂AT切割即為切割面通過或平行于電軸且與光軸成順時(shí)針的特定夾角。AT切割的晶體片振動(dòng)頻率對質(zhì)量的變化極其靈敏,但卻不敏感干溫度的變化。這些特性使AT切的石英晶體片更適合于薄膜淀積中的膜厚監(jiān)控。

石英晶振晶片的原理

石英晶體是離子型的石英晶體,由于結(jié)晶點(diǎn)陣的有規(guī)則分布,當(dāng)發(fā)生機(jī)械變形時(shí),例如拉伸或壓縮時(shí)能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,稱為壓電現(xiàn)象。例石英晶振晶體在9.8×104Pa的壓強(qiáng)下承受壓力的兩個(gè)表面上出現(xiàn)正負(fù)電荷約0.5V的電位差。壓電現(xiàn)象有逆現(xiàn)象,即石英晶體在電場中晶體的大小會(huì)發(fā)生變化,伸長或縮短,這種現(xiàn)象稱為電致伸縮。

石英晶體壓電效應(yīng)的固有頻率不僅取決于其幾何尺寸,切割類型而且還取決于芯片的厚度。當(dāng)芯片上鍍了某種膜層,使芯片的厚度增大,則芯片的固有頻率會(huì)相應(yīng)的衰減。石英晶振,石英晶體的這個(gè)效應(yīng)是質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過測量頻率或與頻率有關(guān)的參量的變化而監(jiān)控淀積薄膜的厚度。

石英晶體法監(jiān)控膜厚,主要是利用了石英晶體,石英晶體振蕩器的壓電效應(yīng)和質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。

石英晶體的固有頻率f不僅取決于幾何尺寸和切割類型,而且還取決于厚度d,即f=N/d,N是取決與石英晶振晶體的幾何尺寸和切割類型的頻率常數(shù)對于AT切割的石英晶體,N=f·d=1670Kcmm。

物理意義是:若厚度為d的石英晶體厚度改變△d,則石英貼片晶振頻率變化△f, 式中的負(fù)號(hào)表示晶體的頻率隨著膜增加而降低然而在實(shí)際鍍膜時(shí)，沉積的是各種膜料,而不都是石英晶體材料,所以需要把石英晶振厚度增量△d通過質(zhì)量變換轉(zhuǎn)換成膜層厚度增量△dM,即

A是受鍍面積,pM為膜層密度,p。為石英密度等于265g/cm3。于是△d=(pM/pa)"△dM,所以

式中S稱為變換靈敏度。

對于一種確定的鍍膜材料,為常數(shù),在膜層很薄即沉積的膜層質(zhì)量遠(yuǎn)小于石英芯片質(zhì)量時(shí),固有頻率變化不會(huì)很大這樣我們可以近似的把S看成常數(shù),于是上式表達(dá)的石英晶振晶體頻率的變化人行與沉積薄膜厚度△dM有個(gè)線性關(guān)系因此我們可以借助檢測石英晶體固有頻率的變化,實(shí)現(xiàn)對膜厚的監(jiān)控。

顯然這里有一個(gè)明顯的好處,隨著鍍膜時(shí)膜層厚度的增加,晶振頻率單調(diào)地線性下降,不會(huì)出現(xiàn)光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)中控制信號(hào)的起伏,并且很容易進(jìn)行微分得到沉積速率的信號(hào)。因此,在光學(xué)監(jiān)控膜厚時(shí),還得用石英晶振,石英晶體法來監(jiān)控沉積速率,我們知道沉積速率穩(wěn)定隊(duì)膜材折射率的穩(wěn)定性、產(chǎn)的均勻性重復(fù)性等是很有好處和有力的保證。

石英晶體膜厚控制儀有非常高的靈敏度,可以做到埃數(shù)量級(jí),顯然石英晶體的基頻越高,控制的靈敏度也越高,但基頻過高時(shí)晶體片會(huì)做得太薄,太薄的芯片易碎。

所以一般選用的石英晶振,貼片晶振片的頻率范圍為5~10MHz。在淀積過程中,基頻最大下降允許2~3%,大約幾百千赫。基頻下降太多振蕩器不能穩(wěn)定工作,產(chǎn)生跳頻現(xiàn)象。如果此時(shí)繼續(xù)淀積膜層,就會(huì)出現(xiàn)停振。為了保證振蕩穩(wěn)定和有高的靈敏度體上膜層鍍到一定厚度后,就應(yīng)該更換新的晶振片。

此圖為膜系鍍制過程中部分頻率與厚度關(guān)系圖。

晶振離子刻蝕頻率微調(diào)技術(shù)及生產(chǎn)工藝報(bào)告

1.頻率微調(diào)方法

石英晶振的頻率是由石英晶振晶片的厚度以及電極膜的厚度決定的,為此,當(dāng)調(diào)整此厚度就可以調(diào)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(jìn)行研磨,接著在晶片兩面涂覆金屬電極層,此時(shí)與目標(biāo)頻率相差2000ppm~3000p0m,每個(gè)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(jìn)行頻率微調(diào),使其與目標(biāo)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(diào)是對每個(gè)石英晶振邊測頻率,邊調(diào)整電極膜的厚度。使頻率改變,達(dá)到或接近目標(biāo)頻率。電極膜厚的調(diào)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振晶片的電極膜上用加熱蒸著的辦法繼續(xù)增加電極膜的厚度, 達(dá)到調(diào)整頻率的目的。這種方法結(jié)構(gòu)簡單,易于控制。缺點(diǎn)是在石英晶振晶片表面產(chǎn)生多層電極膜,并且密著度會(huì)變差,當(dāng)石英晶振小型化時(shí),會(huì)使原來的電極膜和調(diào)整膜的位置發(fā)生偏移,使石英晶振的電氣性能降低。

離子刻蝕頻率微調(diào)法,是用離子束將電極膜打簿,調(diào)整石英晶振的頻率。因此,不會(huì)產(chǎn)生多層電極膜,也不會(huì)有電極膜和調(diào)整膜的位置偏移,石英晶振的電氣性能也不會(huì)降低。

2.離子刻蝕頻率微調(diào)方法

圖4-1是基于離子刻蝕技術(shù)的頻率微調(diào)示意圖,離子刻蝕頻率微調(diào)方法,當(dāng)照射面積小于2~3mm2,在beam電壓低于100V以下就可獲得接近10mA/cm2的高電流密度的離子束,離子束的刻蝕速度在寬范圍內(nèi)可進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖中采用的是小型熱陰極PIG型離子槍,放電氣體使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圓筒狀的陽極周圍安裝永久磁石,使得在軸方向加上了磁場這樣的磁控管就變成了離子透鏡, 可以對離子束進(jìn)行聚焦。

熱陰極磁控管放電后得到的高密度等離子,在遮蔽鉬片和加速鉬片之間加高達(dá)1200V高壓后被引出。并且可以通過對熱陰極的控制調(diào)整等離子的速度。用離子束照射石英晶振,石英晶體的電極膜,通過濺射刻蝕使得頻率上升米進(jìn)行頻率微調(diào)。在調(diào)整時(shí),通過π回路使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對石英貼片晶振的頻率進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)達(dá)到目標(biāo)頻率后就停止刻蝕,調(diào)整結(jié)束。

因?yàn)槭⒕д衽cπ回路之間用電容連接,離子束的正電荷無法流到GND而積聚在石英晶片上,使石英晶片帶正電荷。其結(jié)果不僅會(huì)使頻率微調(diào)速度降低,而且使石英晶片不發(fā)振,無法對石英晶振的頻率進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。為此,必須采用中和器對石英晶片上的正電荷進(jìn)行中和。

在進(jìn)行離子刻蝕頻率調(diào)整時(shí),離子束對一個(gè)制品進(jìn)行刻蝕所需的時(shí)間為1~2秒, 而等待的時(shí)間約2秒,等待時(shí)間包括對制品的搬送和頻率的測量時(shí)間。在等待時(shí)間中, 是將擋板關(guān)閉的。如果在這段時(shí)間內(nèi),離子槍繼續(xù)有離子束引出,則0.5mm厚的不銹鋼擋板將很快被穿孔而報(bào)廢。為此,在等待時(shí)間內(nèi),必須停止離子槍的離子束引出。

可以用高壓繼電器切斷離子槍的各電源,除保留離子槍的放電電源(可維持離子槍的放電穩(wěn)定)。這樣,在等待時(shí)間沒有離子束的刻蝕,使擋板的使用壽命大大增長。同是,出于高壓繼電器的動(dòng)作速度很快,動(dòng)作時(shí)間比機(jī)械式擋板的動(dòng)作時(shí)間少很多,所以調(diào)整精度也可得到提高。

3.離子束電流密度

在圖4-1中,為了提高操作性,簡化自動(dòng)化過程中的參數(shù)設(shè)定,只對beam電壓和放電電流進(jìn)行控制,而放電電壓和Ar流量保持不變,加速電壓取beam電壓的20%。

圖4-2表示的是在不同的beam電壓下,隨著放電電流的變化,石英晶振的電極膜處(與離子槍加速鉬片的距離為25mm)所測得的電流密度。從圖中可以知道,對于不同的beam電壓,放電電流變化時(shí),都有相對應(yīng)的放電電流使得電流密度達(dá)到最大。本文說所的晶振離子刻蝕頻率微調(diào)就是采用了各不同beam電壓時(shí)的最大電流密度進(jìn)行的。當(dāng)設(shè)定好調(diào)整速度后,根據(jù)計(jì)算決定beam電壓,然后根據(jù)該電壓下最大的電流密度計(jì)算出放電電流。

4.離子刻蝕頻率微調(diào)加工工藝

晶振離子刻蝕頻率微調(diào)加工工藝與真空蒸著頻率微調(diào)有相似處也有不同處。首先,兩種頻率微調(diào)方法都必須在高真空環(huán)境下進(jìn)行,因此在加工前都必須確認(rèn)真空腔的真空度是否達(dá)到要求,一般都要求在1×103Pa以上。其次還必須確認(rèn)真空腔的水冷設(shè)備沒有漏水現(xiàn)象,使用的真空泵需要用真空油時(shí)還要確認(rèn)真空腔內(nèi)沒有被油污染。接著還要保證石英晶振,石英晶體諧振器上沒有灰塵或臟污等異物附著,為了有效的控制異物,加工環(huán)境最好是5000級(jí)以下的凈化空間。離子刻蝕頻率微調(diào)加工除了要注意以上要求外,還必須注意到離子刻蝕后數(shù)秒內(nèi)頻率的偏移問題,這個(gè)問題將直接影響到生產(chǎn)效率和合格率。

智能電子產(chǎn)品時(shí)代的到來改變了我們的工作,改變了我們的生活現(xiàn)狀,而這些都是電子零件的功勞.比如石英晶振,電感,貼片電容,傳感器,芯片,石英貼片晶振,電阻等等.億金電子專業(yè)生產(chǎn)石英晶振,石英晶體諧振器,石英晶體振蕩器,關(guān)于晶振的作用我們簡單概括,主要是為電路提供信號(hào)頻率.

晶振的作用是廣泛的,在如今的通信業(yè),航空業(yè),家用電器,漁業(yè),網(wǎng)絡(luò),電子產(chǎn)品等領(lǐng)域均有涉及使用.因此石英晶振分為插件式以及貼片式,并且分為多種封裝尺寸,滿足市場需求有源晶振具有更高品質(zhì),高性能,高精密等特點(diǎn),億金電子同時(shí)代理臺(tái)產(chǎn)晶振,日系晶振以及歐美進(jìn)口晶振品牌.關(guān)于晶振在不同產(chǎn)品中的作用以及分類等信息可以到億金行業(yè)新聞中查看.

晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展對于一個(gè)國家的經(jīng)濟(jì)、科學(xué)與技術(shù)、國防和社會(huì)安全有著非常重要的意義。由于制造、交通運(yùn)輸、通訊與信息技術(shù)的不斷迅猛發(fā)展,對時(shí)間和頻率測量的準(zhǔn)確度和精確度要求也越來越高。導(dǎo)航、定位、大地測量、天文觀測、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)和同步以及電網(wǎng)故障檢測中都需要高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)。按照頻率標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo)和應(yīng)用領(lǐng)域來劃分,可以將其分為一級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)(銫原子頻標(biāo))二級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)(包括銣原子頻標(biāo)和高穩(wěn)石英晶體振蕩器)和其它頻率標(biāo)準(zhǔn)(包括除高穩(wěn)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(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度.

在各種高精度的頻率標(biāo)準(zhǔn)中,氫钅鐘中、銫鐘等都具有很好的長期和短期穩(wěn)定度,但價(jià)格非常昂貴,一般用于國家授時(shí)實(shí)驗(yàn)室,應(yīng)用范圍非常有限。雖然銣鐘和高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器等二級(jí)頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度不如一級(jí)頻標(biāo),但價(jià)格低廉,體積較小,應(yīng)用范圍非常廣泛。它們被廣泛用于通信、計(jì)量、應(yīng)用電子技術(shù)、電子儀器、航空航天、雷達(dá)和因防軍工等各個(gè)領(lǐng)域,作為關(guān)鍵器件發(fā)揮著重要的作用。近年來由于通信業(yè)和軍工方面的發(fā)展和需求,我國精密石英晶體和原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的需求也有了明顯的增長。

石英晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)基本技術(shù)指標(biāo)是準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和老化率。晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)時(shí)的精確度會(huì)受到科技發(fā)展水平的限制。影響頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度主要是溫度和老化,因此,國內(nèi)外正在投入大量精力研究修正這些影響。下面詳細(xì)介紹這三種技術(shù)指標(biāo)

1.晶振頻率準(zhǔn)確度

用來描述頻率標(biāo)準(zhǔn)輸出的實(shí)際頻率值與其標(biāo)稱頻率值的相對偏差。因?yàn)槭茴l率標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)在因素和外部環(huán)境(如溫度、濕度、壓力、震動(dòng)等)的影響,實(shí)際石英晶振頻率值并不是固定不變的,而是在一定范圍內(nèi)有起伏的值。計(jì)算表達(dá)式如下:

式中A為頻率準(zhǔn)確度;fX為實(shí)際頻率值;fO后為標(biāo)稱頻率為了得到準(zhǔn)確的fX,至少應(yīng)進(jìn)行6次測量,采樣時(shí)間應(yīng)該選擇相應(yīng)的頻率穩(wěn)定度影響可以忽略時(shí)的時(shí)間間隔。一般選擇的采樣時(shí)間為10s,使得在該時(shí)間內(nèi)被測頻標(biāo)的短期頻率穩(wěn)定度比其準(zhǔn)確度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.晶振頻率穩(wěn)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(nèi)固有噪聲,器件的老化,環(huán)境條件的變化等,都會(huì)使石英晶體振蕩器的輸出頻率相對于標(biāo)稱值發(fā)生波動(dòng),這種波動(dòng)代表了輸出頻率的不穩(wěn)定度。目前使用的頻率穩(wěn)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(xiàn)為信號(hào)的頻譜不純;時(shí)域表征一阿侖方差,它表現(xiàn)為頻率平均值的隨機(jī)起伏。二者在數(shù)學(xué)上是一對傅氏變換,因而是等效的。

實(shí)際的阿侖方差計(jì)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(biāo)稱值, m為測量的次數(shù)。

3.晶振老化率的表征和測量

單位時(shí)間內(nèi)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(biāo)中一般稱為漂移率。大多數(shù)頻標(biāo)經(jīng)過足夠的時(shí)間預(yù)熱后連續(xù)工作,在一段不太長的時(shí)間內(nèi)頻率的漂移呈現(xiàn)近似線性變化的特點(diǎn)。

老化率實(shí)用計(jì)算公式:

值;t為測量時(shí)序,i取1,2,3,…,N;fO為頻率源的標(biāo)稱頻率;n為一天的取樣次數(shù)。

由于石英晶振頻率值隨時(shí)間的變化并不僅僅是線性的,石英晶體振蕩器往往是對數(shù)老化規(guī)律或倒數(shù)老化規(guī)律,所以從理論上講,每天測量的點(diǎn)數(shù)n越多越好。但是從實(shí)際測量和計(jì)算的方便來講,又希望n取得越少越好。通過大量的實(shí)驗(yàn),表明每天測量的次數(shù)n取兩次就可以了。經(jīng)簡化后,每天測量的次數(shù)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(biāo)的日漂移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)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(guī)律,所以月漂移率可以用日漂移率來推算。也就是:

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

晶振作為測量元件時(shí)的重要性能參數(shù)

石英晶振本身具有很多性能參數(shù),除了前面所提及的串聯(lián)諧振頻率、并聯(lián)諧振頻率外,還有制造公差、拐點(diǎn)溫度等,已經(jīng)有很多文獻(xiàn)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?yàn)樗母哳l穩(wěn)定性和極小的振幅。所以本文只對晶體的品質(zhì)因數(shù)、頻率一電流特性、頻率一溫度特性進(jìn)行了論述。

  晶體的品質(zhì)因數(shù)Q是晶體的最重要參數(shù)。在一定程度上,當(dāng)其他條件相同時(shí),Q值越高晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度越高,石英晶振晶體的品質(zhì)因數(shù)Q是由晶體的動(dòng)態(tài)參數(shù)決定的,即：

其中ω為測試系數(shù)。

晶振的品質(zhì)因數(shù)通常不作規(guī)定,對于標(biāo)準(zhǔn)部件,Q值通常在20000-200000之間,精密晶體可高達(dá)5×10°,這比傳統(tǒng)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(lì)電平和諧振頻率的關(guān)系,它是由石英晶振的物理特性決定的。激勵(lì)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(lián)諧振頻率發(fā)生交化。石英晶振的諧振頻率相對變化與晶振電流的關(guān)系,可以用下面的近似關(guān)系表示：

其中D是振的電流常數(shù)

從上述關(guān)系式可以看出,當(dāng)激勵(lì)電平增大時(shí),產(chǎn)生了以下影響:(1)頻率產(chǎn)生了漂移,長期穩(wěn)定性變壞。石英晶振晶振的彈性常數(shù)發(fā)生了變化,因此引起了頻率的漂移,隨著晶振的激勵(lì)電流增高,晶振的頻率穩(wěn)定性顯著下降。(2)晶振溫度增加。當(dāng)晶振的激勵(lì)電平過高時(shí),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(chǎn)生了寄生振蕩。(4)等效電阻加大。內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)加劇,使得等效電阻加大,Q值下降。

在實(shí)際測量中,當(dāng)激勵(lì)電流過大時(shí),石英貼片晶振振蕩的幅值過大,導(dǎo)致測量的精度下降,同時(shí)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(lì)電流。但是激勵(lì)電平也不能過小,否則由于噪聲電平的限制,使瞬態(tài)穩(wěn)定性變壞,這樣獲得的圖像質(zhì)量就比較差。

晶振的另外一個(gè)值得注意的參數(shù)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(shí),晶格變形,從而使得其串聯(lián)諧振電路發(fā)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(shù),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(shí)(>80°C)時(shí),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(xiàn)中已經(jīng)有報(bào)道將晶振放在真空、低溫、強(qiáng)磁場的環(huán)境下進(jìn)行測量,這時(shí)晶振的頻率將與常溫時(shí)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(shí)驗(yàn)室應(yīng)該對測試溫度和環(huán)境加以控制。同時(shí)由于測試環(huán)境的變化,如何保持儀器的穩(wěn)定性, 也是一個(gè)值得注意的問題。

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石英晶振主要用在電路中作穩(wěn)頻元件。為了克服傳統(tǒng)的掃描探針顯微鏡在應(yīng)用中的不足,本文采用石英晶振作為微力傳感器來取代傳統(tǒng)的微懸臂和位移檢測裝置。而石英晶振有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1、壓電效應(yīng),從而使石英晶振免去了中間轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié),形成一個(gè)獨(dú)立的直接和即時(shí)的微力測量單元。

2、空氣中極高的品質(zhì)因素,從而使最小可測力梯度減小,傳感器的靈敏度提高。

2.1晶振作為測量元件的物理特性研究

石英晶體是六棱柱而兩端呈角錐形的結(jié)晶體,其化學(xué)成分是Si02,下圖所示是石英晶振晶體的坐標(biāo)軸系：

通常將通過兩頂端的軸線稱為光軸(Z軸),與光軸垂直又通過晶體切面的六個(gè)角的三條軸線稱為電軸(X軸),與光軸垂直又和石英晶振晶體橫切面六邊形的六個(gè)邊垂直的三條軸線稱為機(jī)械軸(Y軸),X軸、Y軸、Z軸統(tǒng)稱為晶體的坐標(biāo)軸系。在同一方向上,石英晶振晶體的性質(zhì)是完全相同的。

石英晶體是一種各向異性的晶體,它具有正壓電效應(yīng)。沿某一機(jī)械軸或者電軸施加壓力,則在垂直于這些軸的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生了異號(hào)電荷,其值與機(jī)械壓力產(chǎn)生的機(jī)械形變成正比,若施以張力,則表面上的電荷與受壓時(shí)的符號(hào)相反。造成這種結(jié)果的原因是貼片晶振,石英晶振晶體的晶格在壓力下變形,導(dǎo)致電荷分布不均勻。石英晶體還具有逆壓電效應(yīng),如果在石英晶體兩個(gè)面之間加一電場,則晶體在電軸或機(jī)械軸方向上就會(huì)延伸或壓縮,延伸或壓縮量與電場強(qiáng)度成正比。

如果將石英晶體置于交變電場中,則在電場的作用下,貼片晶振晶體的體積會(huì)發(fā)生周期性的壓縮或拉伸的變化,這樣就形成了晶體的機(jī)械振動(dòng),晶體的振動(dòng)頻率應(yīng)等于交變電場的頻率,在電路中也就是驅(qū)動(dòng)電源的頻率。當(dāng)石英晶體諧振器振動(dòng)時(shí),在它的兩表面產(chǎn)生交變電荷,結(jié)果在電路中出現(xiàn)了交變電流,這樣壓電效應(yīng)使得晶體具有了導(dǎo)電性,可以視之為一個(gè)電路元件。石英晶振晶體本身還具有固有振動(dòng)頻率,此振動(dòng)頻率決定于晶體的幾何尺寸、密度、彈性和泛音次數(shù),當(dāng)石英晶振晶體,有源晶振的固有振動(dòng)頻率和加于其上的交變電場的頻率相同時(shí),晶體就會(huì)發(fā)生諧振,此時(shí)振動(dòng)的幅值最大,同時(shí)壓電效應(yīng)在石英晶振晶體表面產(chǎn)生的電荷數(shù)量和壓電電導(dǎo)性也達(dá)最大,這樣石英晶體諧振器,石英晶振晶體的機(jī)械振動(dòng)與外面的電場形成電壓諧振,這就是石英晶體作為振蕩器的理論基礎(chǔ)。

石英晶體的電氣特性可用圖中所示的等效電路圖來表示,由等效電阻R1、等效電感L1和等效電容C1組成的串聯(lián)諧振回路和靜態(tài)電容Co并聯(lián)組成,靜態(tài)電容C0主要由貼片晶振,有源晶振,石英晶體的尺寸與電極確定,再加上支架電容組成。等效電感L1和等效電容C1由切型、石英晶體片和電極的尺寸形狀來確定。等效電阻R1是決定石英晶振Q的主要因素,是直接影響石英晶體諧振器工作效果的一個(gè)重要參數(shù)。R1不僅由切型、石英晶體片形狀、尺寸、電極決定,而且加工條件、裝架方法等對其影響也很大。因此,同一型號(hào),同一頻率的若干產(chǎn)品其Q值也相差很大。

在等效電路中,L1和C1組成串聯(lián)諧振電路,諧振頻率為:

通常石英晶體諧振器的阻抗頻率特性可用圖2.3表示。此處忽略了等效電阻R1的影響,由圖可見,當(dāng)工作頻率f時(shí),晶體呈容性;當(dāng)工作頻率在f0與f之間時(shí),晶體呈感性;當(dāng)工作頻率f>f時(shí),晶體又呈容性。晶體在晶體振蕩器主振蕩級(jí)的振蕩電路呈現(xiàn)感性,即工作頻率在f于f之間。

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