RC振蕩器電路,由于各級(jí)之間的相移,RC石英晶體振蕩器使用放大器和RC網(wǎng)絡(luò)的組合來(lái)產(chǎn)生振蕩.在放大器教程中,我們看到,單級(jí)晶體管放大器在A類(lèi)型配置下連接時(shí),其輸出和輸入信號(hào)之間會(huì)產(chǎn)生180°的相移.為了使晶振.晶體振蕩器無(wú)限期地維持振蕩,必須提供正確相位的充分反饋,即“正反饋”,以及所使用的石英晶體管放大器作為反相級(jí)來(lái)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn).

隨著電子技術(shù)的發(fā)展，對(duì)精密石英晶體元件的老化率、短期穩(wěn)定度、抗振動(dòng)、耐沖擊和耐輻射等提出了更高的要求。AT切型晶振雖然具有很多優(yōu)點(diǎn)，但還是不能滿足上述要求。后來(lái)發(fā)現(xiàn)，某些雙轉(zhuǎn)角切型具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。

例如，（yxwl)22°30/34°18切型（即SC切型）的振動(dòng)模式和頻率溫度特性與AT切相同，而它的頻率應(yīng)力系數(shù)則比AT切型小二個(gè)數(shù)量級(jí)以上。這樣，由加工條件所引起的內(nèi)應(yīng)力對(duì)頻率影響就很小，可降低晶振元件的老化率。

等效動(dòng)態(tài)電阻R_q1與泛音次數(shù)的平方成正比,與石英晶振片厚度的三次方成正比,與電極面積成反比。除上述三項(xiàng)因素外，還有:

(1)與空氣的摩擦(表面損耗)形成的阻力有關(guān)。可通過(guò)對(duì)外盒抽真空以減小損耗

(2)與石英晶振片表面微粒間的摩擦有關(guān)。可提高石英片表面光潔度,控制腐蝕量,減小砂痕、沙坑、提高銀層的牢固度及整體性來(lái)減小。

聲表面濾波器最早是由瑞利勛爵于1885年描述的.沿著表面?zhèn)鞑ゲ⒃?-3個(gè)波長(zhǎng)的距離內(nèi)穿透深度,這種類(lèi)型的波在地震中具有最大的破壞性.用于處理無(wú)線電信號(hào)的表面活性劑的調(diào)查始于戰(zhàn)后年代,但直到1970年代末,SAW聲表面濾波器器件才專門(mén)用于軍事裝備：雷達(dá),空間通信系統(tǒng).20世紀(jì)80年代無(wú)線電話的高適應(yīng)性和快速發(fā)展為這些設(shè)備在民用應(yīng)用中提供了廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域.

在最簡(jiǎn)單的應(yīng)用中,一個(gè)橫向聲表面波濾波器由兩個(gè)傳感器組成,這些傳感器在壓電基片表面上有導(dǎo)電電極的反向格柵,例如單晶石英或鈮酸鋰（圖1）.

愛(ài)普生晶振集團(tuán)利用其先進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備,豐富的經(jīng)驗(yàn)不斷帶給我們驚喜.2018年1月30日愛(ài)普生發(fā)布了內(nèi)置熱敏電阻1.6mm x 1.2mm大小的MHz范圍晶體單元”FA1612AS熱敏晶振”.愛(ài)普生FA1612AS熱敏晶振相較于FA2016AS晶熱敏晶振,大真空DSR221STH晶振,1RAA26000AFA熱敏晶振體積還要小,厚度更薄,重量更輕. 熱敏晶振的成本低,產(chǎn)量快在產(chǎn)品中使用更具優(yōu)勢(shì).

什么是熱敏晶振?顧名思義熱敏晶振是在普通貼片晶振的基礎(chǔ)上增加了一顆熱敏電阻,以及一顆變?nèi)荻O管,利用了變?nèi)荻O管的容變功能在結(jié)合熱敏的傳感功能相結(jié)合,使之成為帶有溫度傳感功能的熱敏晶振,是一款可以免去熱敏電阻使用的一款功能性石英晶振.

通過(guò)調(diào)節(jié)激光器的三個(gè)激光參數(shù),來(lái)改變石英晶振頻率微調(diào)量,從而在不剝落晶振晶片表面電極層的前提下,達(dá)到最大頻率微調(diào)量。三個(gè)參數(shù)分別為:電流,頻率和Q脈沖寬度。

電流與石英晶振微調(diào)量之間的關(guān)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(lái)測(cè)頻率微調(diào)量。

   下面為億金電子獨(dú)家提供精工晶振32.768K晶振系列Q-SC32S03220C5AAAF晶振編碼.表格中均為32.768K晶振對(duì)應(yīng)的不同封裝尺寸原廠代碼.包括7015晶振,3215晶振,2012晶振,1610晶振，2x6晶振等封裝.

運(yùn)用不同的工藝方法,對(duì)石英晶振進(jìn)行頻率微調(diào),以不同參數(shù)的激光產(chǎn)生不同的微調(diào)量和微調(diào)效果。通過(guò)拍攝SEM照片,來(lái)研究在不同的激光參數(shù)和條件下,激光對(duì)于石英晶振表面及內(nèi)部的改變和損傷情況。共分五種情況對(duì)激光刻蝕損傷進(jìn)行研究。

1.直接刻蝕石英晶振片表面。

2.以大電流刻蝕石英晶振表面銀電極層,使其產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計(jì)無(wú)法讀出刻蝕后的頻率值。

3.以適當(dāng)?shù)募す鈪?shù)刻蝕石英晶振表面銀電極層,并無(wú)明顯的刻蝕痕跡,頻率微調(diào)量在50ppm,其他電性能參數(shù)改變量均小。

4.以刻蝕圖形的方法對(duì)石英晶振表面銀電極層進(jìn)行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層外層圓環(huán),頻率微調(diào)量達(dá)l000pm。

5.以刻蝕圖形的方法對(duì)石英晶振表面銀電極層進(jìn)行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層半邊圓,頻率微調(diào)量達(dá)2300ppm。

以下為石英晶振實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.直接刻蝕石英晶振片表面

在電流為11A,激光頻率為10KHLz,Q脈沖寬度為10s的條件下,直接對(duì)石英晶振片進(jìn)行環(huán)狀刻蝕。刻蝕示意圖如圖4.7所示。

圖中虛線所示為激光刻蝕的軌跡,可見(jiàn)激光全部作用在石英晶振片本身,而不是其表面的銀電極層上。經(jīng)刻蝕,貼片晶振,石英晶振片的頻率從10.0268376MHz,上升為10.0268780MHz,頻率微調(diào)量為404pm。這樣做的目的,是為了觀察當(dāng)激光直接作用于晶片本身的時(shí)候,會(huì)對(duì)晶片產(chǎn)生怎樣的影響。

通過(guò)電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.8所示。

從圖中可見(jiàn),被激光刻蝕后的區(qū)域,石英片表面平整,形貌良好,并未對(duì)下面石英晶體產(chǎn)生損傷。部分晶體被激光刻蝕掉后由于大氣中分子的散射作用,重新落回到晶片表面,覆蓋在原晶片上。

2.以大電流刻蝕貼片晶振,石英晶振表面銀電極層,使其產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計(jì)無(wú)法讀出刻蝕后的頻率值。

在電流為14A,激光頻率為10KHz,Q脈沖寬度為10ys的條件下,對(duì)石英晶振片表面銀電極層進(jìn)行刻蝕。刻蝕圖形及示意圖分別如圖4.9、4.10所示。

在14A的激光電流刻蝕下,晶片表面刻蝕區(qū)域的電極層被損壞,出現(xiàn)了肉眼可見(jiàn)的較大范圍內(nèi)明顯剝落痕跡。至使頻率計(jì)無(wú)法讀出其諧振頻率,石英晶片停振。

通過(guò)電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.11所示。

如圖所示,圖中左半邊銀電極層清晰可見(jiàn),均勻的覆蓋在石英表面。而右半邊銀電極層被激光刻蝕剝落,被剝落處銀電極層與貼片晶振,石英晶振混在一起,界線模糊。并且剝落已經(jīng)損傷到石英晶振本身。損傷延伸至2000m深度。

激光束入射到晶振材料表面,在材料表面會(huì)發(fā)生反射、散射、吸收等,要進(jìn)行激光輻射的熱效應(yīng)理論計(jì)算,首先要知道有多少輻射能量被石英晶振材料吸收。對(duì)于透明或半透明的材料,需要測(cè)量材料的反射率和透射率,而對(duì)于不透明材料,只需要測(cè)量其反射率就足夠了。

從微觀來(lái)看,激光對(duì)石英晶振的作用是高頻電磁波對(duì)物質(zhì)中自由電子或束縛電子的作用,晶振對(duì)激光的吸收與物質(zhì)結(jié)構(gòu)和電子能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)。金屬中存在大量的自由電子,在激光作用下這些自由電子受到光頻電磁波的強(qiáng)迫振動(dòng)而產(chǎn)生次波這些次波形成了強(qiáng)烈的反射波和較弱的透射波,透射部分將被電子通過(guò)軔致輻射過(guò)程而吸收,繼而轉(zhuǎn)化為電子的平均動(dòng)能,再通過(guò)電子與晶格之間的馳豫過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/span>

非金屬與金屬不同,它對(duì)激光的反射比較低,對(duì)應(yīng)的吸收比較高。石英貼片晶振電介質(zhì)對(duì)激光吸收與束縛電子的極化,單光子或多光子吸收,以及多種機(jī)制的非線性光學(xué)效應(yīng)有關(guān)。透明電介質(zhì)表面或石英晶振體內(nèi)的雜質(zhì)和缺陷往往強(qiáng)烈吸收激光,成為破壞的根源。半導(dǎo)體對(duì)激光的吸收有多種機(jī)制,以本征吸收最為重要,產(chǎn)生的電子一空穴對(duì)很快通過(guò)無(wú)輻射躍遷復(fù)合,將吸收的光能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋５入x子體是特殊條件下存在的電離氣體,蒸氣等離子體對(duì)激光有很強(qiáng)的吸收作用。

石英晶體諧振器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件,其基本結(jié)構(gòu)為:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡(jiǎn)稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極,在每個(gè)電極上各焊根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體振蕩器,簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。圖2.1是石英晶振結(jié)構(gòu)圖。圖22是一種金屬外殼封裝的石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

石英晶振晶體的壓電效應(yīng)

若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng),晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之,若在晶振晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力,則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng),這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),同時(shí)石英晶振晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下,晶振晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小,但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí),振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現(xiàn)象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

石英晶振晶體的符號(hào)和等效電路

石英晶體諧振器的符號(hào)和等效電路如圖23所示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí),可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān),一般約幾個(gè)pF到幾十pF。當(dāng)石英晶體諧振時(shí),機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH.晶振晶片的彈性可用電容C來(lái)等效,C的很小,一般只有0.0002~0.lpF。

晶振晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來(lái)等效, 它的數(shù)值約為100g。由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大,可達(dá)1000~10000。加上晶振晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸有關(guān),而且可以做得精確,因此利用石英晶體諧振器組成的諧振電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。

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

根據(jù)石英晶振的等效電路,可定性畫(huà)出它的電抗一頻率特性曲線如圖2.3所示。可見(jiàn)當(dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時(shí),石英晶體呈容性。僅在fs極窄的范圍內(nèi),石英晶體呈感性。石英晶體表面附著電極層后的膜系結(jié)構(gòu)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(zhì)(此處為上、下兩面的銀電極層)之間的變化關(guān)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(zhì)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(duì)于指定晶振晶片,fo、A、pμ、qμ均為常數(shù),因而, △f與△m的絕對(duì)值成正比,負(fù)號(hào)表示表面銀電極層質(zhì)量的增加,會(huì)引起石英晶振諧振頻率的減少;而表面銀電極層質(zhì)量的減少,會(huì)引起石英晶振諧振頻率的增加。即:增加銀層質(zhì)量和減少銀層質(zhì)量?jī)煞N方法都可以改變石英晶振的諧振頻率。

可見(jiàn),附加的銀電極層會(huì)對(duì)石英晶振器的諧振頻率產(chǎn)生影響。因而工業(yè)生產(chǎn)中,一般先制作出與目標(biāo)頻率接近的石英晶片并附加表面電極,再通過(guò)改變表面電極厚度方法,來(lái)微調(diào)晶振頻率以達(dá)到目標(biāo)頻率。

石英晶振是如今智能產(chǎn)品都會(huì)用到的一種頻率元件,主要為電路提供頻率信號(hào)源,具有高可靠使用特性.下面億金電子給大家講解億金電子石英晶振生產(chǎn)流程以及可靠性現(xiàn)狀分析.

石英晶振生產(chǎn)流程比較復(fù)雜,包含多次的測(cè)試過(guò)程。生產(chǎn)部門(mén)接到制令通知單后開(kāi)始組織生產(chǎn),生產(chǎn)人員到資材課領(lǐng)取物料,由操作員對(duì)元器件和石英晶體進(jìn)行焊接,焊接完成后對(duì)石英晶振進(jìn)行調(diào)試,調(diào)試完成后依次進(jìn)行溫度測(cè)試、老化測(cè)試, 測(cè)試完成后由封口站人員對(duì)石英晶振進(jìn)行封殼,經(jīng)過(guò)清洗、檢驗(yàn)后最終成品制成。石英晶振生產(chǎn)流程圖如圖3-3所示。

億金石英晶振可靠性現(xiàn)狀分析

可靠性管理是提高產(chǎn)品可靠性的必由之路,在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,大到航空航天,小到電子信息設(shè)備,都已經(jīng)應(yīng)用可靠性管理來(lái)提高企業(yè)產(chǎn)品的可靠性。但截至目前,在石英晶振制造領(lǐng)域,還沒(méi)有全方位的將可靠性管理納入企業(yè)日常管理中來(lái)。

億金電子目前主要按照ISO9001質(zhì)量管理體系的要求來(lái)對(duì)石英晶振產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行管理,雖然公司的管理水平比較先進(jìn),但如果要從根本上改善石英晶振,貼片晶振等產(chǎn)品的可靠性,就要將可靠性管理納入公司管理中來(lái)。

目前,A型石英晶振產(chǎn)品占到公司晶振銷(xiāo)量的20%左右,是公司的主推產(chǎn)品, 該型石英晶振的設(shè)計(jì)也已經(jīng)很成熟了,但A型石英晶振可靠性仍然存在著很多問(wèn)題,退換貨給公司形象帶來(lái)負(fù)面影響。針對(duì)這種現(xiàn)象的出現(xiàn),本文將以A型石英晶振為例.

首先對(duì)A型石英晶振產(chǎn)品進(jìn)行 FMECA分析,其次運(yùn)用模糊FMECA綜合評(píng)判來(lái)量化FMEA的分析結(jié)果,并在定量分析的基礎(chǔ)上建立模糊CA模型,計(jì)算各故障模式的綜合危害度等級(jí),并以此為根據(jù)對(duì)故障模式進(jìn)行排序,以便判定進(jìn)行改進(jìn)措施的優(yōu)先權(quán),保證系統(tǒng)可靠性工作的效率,最后結(jié)合公司實(shí)際情況,診斷出產(chǎn)品可靠性不高的原因,盡可能的來(lái)幫助企業(yè)解決石英晶振,貼片晶振的可靠性問(wèn)題。

晶振是為電路提供基準(zhǔn)頻率信號(hào)源的一種頻率元件,在前面的文章中億金電子有提到過(guò)關(guān)于石英晶振晶片的選擇,晶振刻蝕的影響,晶振片的生產(chǎn)材料等信息,那么下面要給大家說(shuō)的是利用石英晶振作為微力傳感器的分析講解.

在非接觸測(cè)量模式中,微懸臂是要靠壓電驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行AC驅(qū)動(dòng)來(lái)做小幅的振動(dòng),隨著其進(jìn)一步的發(fā)展,人們把目光開(kāi)始轉(zhuǎn)向壓電材料,當(dāng)石英等材料受到應(yīng)變時(shí)會(huì)產(chǎn)生電荷,而當(dāng)在這些材料上施加電場(chǎng)時(shí),其幾何尺寸就會(huì)發(fā)生變化,這種現(xiàn)象被稱為壓電效應(yīng)I18。1990年IBM公司GrutterP等提出了可以將微懸臂粘附在雙晶片之間以產(chǎn)生穩(wěn)定性很好的高頻振蕩信號(hào),從而對(duì)由于力梯度的作用下懸臂的形變信號(hào)進(jìn)行頻率調(diào)制,通過(guò)解調(diào)就可以獲得表面形貌,研究顯示了在固定帶寬的情況下,靈敏度可提高2倍以上。

1991年TR.Albrech等采用在片層壓電材料表面刻蝕出針尖來(lái)取代傳統(tǒng)的用si材料做成的微懸臂201。由于壓電材料能將機(jī)械振動(dòng)特性的變化直接轉(zhuǎn)化為電荷變化,因此不需要激光測(cè)微儀,但用其制作的微懸臂品質(zhì)因數(shù)Q值(約200)較低,使得分辨率有待提高,而且在片層壓電材料表面刻蝕出針尖的成本太高。因此必須使用一種高品質(zhì)因數(shù)的壓電材料的傳感器以提高信噪比。

使用針式傳感器的想法在1988年就產(chǎn)生了,當(dāng)時(shí)因?yàn)闇y(cè)量集成電路的需要,研究人員曾經(jīng)試圖模仿傳統(tǒng)的輪廓儀,將一個(gè)針尖制作成圓弧半徑可達(dá)nm級(jí),這樣就可以突破一些物理極限,如光的波長(zhǎng),以獲得大約相當(dāng)于光波長(zhǎng)的百分之一的測(cè)量精度。但是這需要解決兩個(gè)問(wèn)題:針尖的制備和測(cè)量相互作用力。1988年,P.Gunther等人探討了使用石英音叉晶振作為傳感器的可能性，將音叉的一個(gè)角作為針尖逼近樣品表面,音叉的幅值和頻率會(huì)隨著逼近距離的變化而變化,證明了使用石英晶振作為傳感器,是一個(gè)很有希望的發(fā)展方向。1993年,K.BARTZKE等研制出了第一臺(tái)這樣的針式傳感器并將它用于AFM的測(cè)量中,其針尖的制備使用了機(jī)械蝕刻金剛石的方法為了檢測(cè)針尖和樣品之間的接觸,針尖被固定在一個(gè)高靈敏度的1MHEZ桿狀晶振上,晶振的諧振參數(shù)的變化可以被相應(yīng)的電路檢測(cè)出來(lái)。

1995年, A Michels等報(bào)道了將晶振作為掃描近場(chǎng)聲顯微鏡的探針的研究。將1MHZ桿狀晶振的尖角作為針尖以45°角與樣品逼近,將晶振受到的阻尼信號(hào)作為測(cè)量距離的信號(hào)得到物體表面的形貌圖。其垂直分辨率達(dá)到了50nm,水平分辨率達(dá)到了200nm,是介于傳統(tǒng)的輪廓儀和SFM之間的一種儀器24。隨著研究的進(jìn)一步深入,研究者開(kāi)始探討將針式傳感器作為其他類(lèi)型顯微鏡的應(yīng)用。M. Todorovic等在1998年報(bào)道了一種使用音叉作為傳感器的磁力顯微鏡。在石英音叉的一支腳上粘附一個(gè)經(jīng)過(guò)磁化的非常細(xì)小的針尖,即可構(gòu)成磁力傳感器。石英音叉晶振的腳只有2mm長(zhǎng),200um厚,100um寬,彈性常數(shù)只有200N/m,只有傳統(tǒng)的AFM儀器的十分之-。針尖是電化學(xué)腐蝕鎳絲的方法制作的,針尖的安裝保證了音叉的彈性常數(shù)和Q值不發(fā)生大的變化。

國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的工作開(kāi)展的比較晚,1997年,計(jì)量科學(xué)研究院與西德的合作項(xiàng)目中首次使用了這一技術(shù),之后我們實(shí)驗(yàn)室也在這一領(lǐng)域進(jìn)行了跟蹤研究,并獲得了初步的結(jié)果。

從上述發(fā)展歷程可以看出,使用貼片晶振,石英晶振作為針式傳感器,到目前其測(cè)試精度并沒(méi)有達(dá)到很高,但是由于其成本低廉,易于獲得,性能穩(wěn)定,在測(cè)試方法上具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì),因此是一個(gè)很有前途的發(fā)展方向,隨著研究的進(jìn)一步深入,它的測(cè)量精度有可能進(jìn)一步提高,這對(duì)于工業(yè)界和實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō),是一個(gè)性價(jià)比很高的測(cè)量?jī)x器,對(duì)于科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用都具有很大的價(jià)值。

根據(jù)前面介紹的關(guān)于晶振片的由來(lái)以及晶振原理,毫無(wú)疑問(wèn),石英晶振片是比較敏感的電子組件。用作鍍膜的時(shí)候晶振片可以測(cè)量到膜厚0.000000000001克重的變化,這相當(dāng)于1原子(atom)膜厚,而且,晶振片對(duì)溫度也很敏感, 對(duì)1/100攝氏溫度的變化也能感知。

另外,石英晶振片對(duì)應(yīng)力的敏感也很大,在一些特別的鍍膜過(guò)程中可以感知已鍍膜的石英晶振片冷卻后膜層原子的變化。例如常用MgF2增透膜,300度時(shí)膜硬度是平時(shí)的2倍,冷卻時(shí)產(chǎn)生巨大的應(yīng)力, 隨著鍍膜規(guī)格指標(biāo)的需求日益嚴(yán)格,石英晶振控制成為鍍膜必備的輔助或控制方法,如何正確有效地使用晶振片成為保證鍍膜質(zhì)量的重點(diǎn)。所以為了使晶振片壽命最長(zhǎng),下面一些方法和技巧供您參考：

1.安裝鏡片時(shí),用塑料攝子來(lái)挾住晶振片的邊緣,不要碰晶振片中心,任何灰層,油污都會(huì)降低晶振片的振動(dòng)能力。

2.保持探頭的清潔。不要讓鍍膜材料的粉末和碎片接觸探頭的前后中心位置。任何石英晶體和夾具之間的顆粒或灰層將影響電子接觸,而且會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn),從而改變石英晶體振動(dòng)的模式。

3.維持探頭的冷卻水溫度在20~40°C之間。如果可以將溫度誤差保持在1-2℃范圍內(nèi),效果更佳。

4選擇晶振片時(shí),要選擇表面光滑、顏色較為統(tǒng)一晶振片, 表面有劃傷或贓物的不可以使用;

5.分離晶振傳感器時(shí),注意上半部分的鍍金彈簧片不能弄臟變形,更不可斷裂;保證每一個(gè)彈簧的三個(gè)腳的高度和彎曲度(60度)都相等;放置時(shí)應(yīng)將鍍金彈簧片朝上平放在工作臺(tái)上,嚴(yán)禁反放。取出石英晶振片時(shí)要小心,不可使其滑動(dòng)或掉落,使之劃傷或破裂。(整個(gè)過(guò)程必須戴乳膠手套,避免手指上贓物接觸其上)。

6.鍍膜時(shí)注意觀察蒸發(fā)速率的變化情況,速率曲線出現(xiàn)異常波動(dòng)之后要能準(zhǔn)確判定是否晶振片出現(xiàn)故障,并決定是否切換：

石英晶振片要不要換主要看以下幾方面：

蒸發(fā)速率出現(xiàn)明顯異常,速率持續(xù)波動(dòng);

晶振片的表面明顯出現(xiàn)膜脫落或起皮的現(xiàn)象

7.石英晶振片的回收利用用過(guò)的晶振片可以重新利用,主要方法有兩種：

（1)徹底除去石英晶體諧振器,貼片晶振,石英晶振片上的膜層和電極,重新郵回廠家鍍上電極。

（2)利用金電極不溶于硫酸等強(qiáng)酸的特點(diǎn),客戶自行處理,將晶振片上的膜層除去,重新利用。

但使用再處理石英晶振片時(shí)注意以下事項(xiàng)

（1)銀鋁合金溶于各種酸,不適合再處理。

（2)酸祛除晶振片膜層時(shí),必然對(duì)基底或外觀有一定影響,初始頻率也會(huì)改變,放入晶控儀中會(huì)發(fā)現(xiàn)初始讀數(shù)改變或顯示壽命降低,這些不會(huì)影響石英晶振片的基本功能,但晶振片的壽命會(huì)大大降低。

振片清洗配方:20%氟化氫銨水溶液,浸泡6小時(shí)以上,浸泡后投入酒精擦拭,去水即可。

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GPS定位系統(tǒng)是靠車(chē)載終端內(nèi)置SIM通過(guò)移動(dòng)GPRS信號(hào)傳輸?shù)胶笈_(tái)來(lái)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(guó)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(cè)站的觀測(cè)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(guò)地面上的注入站向GPS衛(wèi)星注入這些信息。測(cè)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(cè)對(duì)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(guò)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(zhǎng)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(jiàn),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(guò)程中受到來(lái)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(kāi)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(lái)之后,通過(guò)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(mén),過(guò)濾掉窗口外的干擾信號(hào)。

另外,通過(guò)單片機(jī)自帶的外部中斷模塊來(lái)對(duì)去掉干擾后的PPS信號(hào)的上升沿進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷GPS接收機(jī)是否正常工作,來(lái)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(cè)來(lái)自GPS接收機(jī)的1PPS信號(hào),如果三次都檢測(cè)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(lái)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(lái)時(shí)刻,經(jīng)過(guò)(1-△)秒后打開(kāi)“窗口”,在計(jì)算得到的第二個(gè)PPS脈沖的到來(lái)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(cè)及處理

對(duì)于整個(gè)馴服系統(tǒng)來(lái)說(shuō),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(shuō)的天線的安裝問(wèn)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(mén)邏輯的接口出現(xiàn)問(wèn)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(guò)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(kāi)通期間使用單片機(jī)相關(guān)外部中斷模塊,如果沒(méi)有檢測(cè)到正確跳變,說(shuō)明GPS信號(hào)失效;如果“窗口”信號(hào)開(kāi)通期間相關(guān)中斷模塊能捕捉到正確跳變,則說(shuō)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(duì)恒溫晶體振蕩器OCXO進(jìn)行校準(zhǔn)。

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石英晶振是一種頻率元件，為電路提供基準(zhǔn)信號(hào)頻率。隨著智能科技的發(fā)展，晶振的發(fā)展腳步也在不斷加快。關(guān)于晶振的作用和晶振分類(lèi)，以及石英晶振在不同產(chǎn)品中的應(yīng)用原理大家可以到前面的文章中查看。下面億金電子要給大家介紹的是石英晶振參數(shù)的變化可以被相應(yīng)的電路檢測(cè)出來(lái)，因此我們做了以下分析。

1995年, A Michels等報(bào)道了將晶振作為掃描近場(chǎng)聲顯微鏡的探針的研究。將1MHZ桿狀晶振的尖角作為針尖以45°角與樣品逼近,將石英晶振受到的阻尼信號(hào)作為測(cè)量距離的信號(hào)得到物體表面的形貌圖。其垂直分辨率達(dá)到了50nm,水平分辨率達(dá)到了200nm,是介于傳統(tǒng)的輪廓儀和SFM之間的一種儀器24。

隨著研究的進(jìn)一步深入,研究者開(kāi)始探討將針式傳感器作為其他類(lèi)型顯微鏡的應(yīng)用。M. Todorovic等在1998年報(bào)道了一種使用音叉作為傳感器的磁力顯微鏡。在音叉表晶的一支腳上粘附一個(gè)經(jīng)過(guò)磁化的非常細(xì)小的針尖,即可構(gòu)成磁力傳感器。石英音叉的腳只有2mm長(zhǎng),200um厚,100um寬,彈性常數(shù)只有200N/m,只有傳統(tǒng)的AFM儀器的十分之-。針尖是電化學(xué)腐蝕鎳絲的方法制作的,針尖的安裝保證了音叉的彈性常數(shù)和Q值不發(fā)生大的變化。

國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的工作開(kāi)展的比較晚,1997年,計(jì)量科學(xué)研究院與西德的合作項(xiàng)目中首次使用了這一技術(shù),之后我們實(shí)驗(yàn)室也在這一領(lǐng)域進(jìn)行了跟蹤研究,并獲得了初步的結(jié)果。

從上述發(fā)展歷程可以看出,使用石英晶振,貼片晶振作為針式傳感器,到目前其測(cè)試精度并沒(méi)有達(dá)到很高,但是由于其成本低廉,易于獲得,性能穩(wěn)定,在測(cè)試方法上具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì),因此是一個(gè)很有前途的發(fā)展方向,隨著研究的進(jìn)一步深入,它的測(cè)量精度有可能進(jìn)一步提高,這對(duì)于工業(yè)界和實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō),是一個(gè)性價(jià)比很高的測(cè)量?jī)x器,對(duì)于科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用都具有很大的價(jià)值。

從上述可知,現(xiàn)有的基于微懸臂的掃描磁力顯微鏡存在種種不足。鑒于此, 本文想研制出一種采用新型傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊的掃描磁力顯微裝置,以達(dá)到高的測(cè)量穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和具有納米尺度的測(cè)量分辨率。由此,該儀器的研究成功,可在下面幾個(gè)方面起到促進(jìn)作用。

首先它可用于磁記錄工業(yè)中的質(zhì)量檢驗(yàn)控制中。例如對(duì)光盤(pán)制造進(jìn)行超微觀檢測(cè)。另外對(duì)磁記錄位的大小及分布等進(jìn)行高分辨率的檢測(cè)。再次,可用于對(duì)生物樣品磁觸覺(jué)細(xì)菌內(nèi)亞微米磁疇顆粒進(jìn)行直接觀察及對(duì)單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)磁矩的定量研究。

采用離子刻蝕進(jìn)行晶振頻率微調(diào),在刻蝕后晶振的頻率會(huì)發(fā)生偏移。這會(huì)使頻率調(diào)整精度低于真空蒸著頻率調(diào)整法。如圖4-4所示,離子刻蝕后石英晶振頻率會(huì)產(chǎn)生偏移,縱軸表示與目標(biāo)頻率的偏差,單位是pm。在刻蝕前,石英晶振的頻率相對(duì)于目標(biāo)頻率是負(fù)的。在調(diào)整時(shí),一邊用測(cè)頻系統(tǒng)測(cè)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(dāng)刻蝕停止后,會(huì)出現(xiàn)頻率下降的現(xiàn)象。刻蝕剛停止的幾秒內(nèi),頻率下降較快,隨后下降會(huì)漸漸變緩,最后趨于穩(wěn)定,不再變化。這種離子刻蝕后頻率偏移的原因比較復(fù)雜,其原因之一是因?yàn)殡x子刻蝕時(shí)對(duì)晶振晶片產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其理論依據(jù)比較深?yuàn)W,在此不做討論。本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn),找出頻率偏移的規(guī)律,對(duì)石英晶振進(jìn)行離子刻蝕加工時(shí)設(shè)定合適的參數(shù),使得這種偏移在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生盡可能小的影響。

現(xiàn)在用AT方向切割的石英晶片做成的石英晶振進(jìn)行實(shí)驗(yàn),用離子束對(duì)晶片進(jìn)行刻蝕,統(tǒng)計(jì)出蝕刻速度與頻率偏移的聯(lián)系。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象:A品種的石英晶振使用的晶片是長(zhǎng)方形,尺寸為長(zhǎng)1996u±3u,寬1276u±2a,晶片厚度為62.04u。目標(biāo)頻率為26.998380MHz。晶片先用昭和真空生產(chǎn)的磁控濺射鍍膜機(jī)SPH-2500進(jìn)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(biāo)頻率的差為2000ppm~300ppm之間。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:離子束刻蝕頻率微調(diào)機(jī)使用昭和真空生產(chǎn)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(jìn)行較大刻蝕速度對(duì)石英晶振,貼片晶振進(jìn)行刻蝕的實(shí)驗(yàn),測(cè)得偏移量。如表4和圖4÷5所示當(dāng)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(dāng)刻蝕量為2000ppm時(shí),頻率偏移量山刻蝕速度為1000ppm/s的35.8ppm快速增長(zhǎng)到刻蝕速度為2000ppm/s的89.8ppm。當(dāng)刻蝕量為3000ppm時(shí),頻率偏移量便會(huì)超過(guò)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(huì)隨刻蝕量的增加呈線性升高。

其次,進(jìn)行較低刻蝕速度對(duì)石英晶體,石英晶體諧振器進(jìn)行刻蝕的實(shí)驗(yàn),測(cè)得偏移量。如表4-2和圖4-6所示,與高速時(shí)的情況類(lèi)似,刻蝕速度增加時(shí),刻蝕后的偏移量也會(huì)隨之增加。并且,在同一刻蝕速度時(shí),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(huì)減小很多。當(dāng)刻蝕速度減小到80ppm/s時(shí),刻蝕量為200pm時(shí),刻蝕后偏移量?jī)H為2.5pm。如果進(jìn)一步控制刻蝕量,當(dāng)刻蝕量降到100ppm時(shí),刻蝕后偏移量?jī)H為0.2ppm,基本接近于0。因此在實(shí)際生產(chǎn)時(shí),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(chǎn)生的影響,提高產(chǎn)品的精度,可以采用3段加工模式,但是生產(chǎn)效率會(huì)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(jìn)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(kāi)始加工,等加工到設(shè)定的中間目標(biāo)頻率后停止刻蝕,一段時(shí)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(jìn)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(kāi)始加工,等加工到設(shè)定的最終目標(biāo)頻率后停止刻蝕,一段時(shí)間后,出于離子刻蝕后頻率偏移的影響, 使頻率下降,回到實(shí)際最終頻率,當(dāng)實(shí)際最終頻率在公差范圍內(nèi)就為良品,加工就結(jié)束。如果實(shí)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(shí)際最終頻率大于公差范圍,則只能作為F+不良而報(bào)廢。

而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于操作員缺乏相關(guān)理論知識(shí),不能精確的對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。使得加工的產(chǎn)品會(huì)因?yàn)榭涛g速度過(guò)快,產(chǎn)生較大的頻率偏移,或直接產(chǎn)生F+。而刻蝕速度太低不僅會(huì)降低加工的效率,當(dāng)時(shí)間超過(guò)設(shè)備的監(jiān)控時(shí)間后,就會(huì)直接出現(xiàn)F-不良。

例如,在實(shí)際應(yīng)用中,因?yàn)椴僮鲉T沒(méi)有系統(tǒng)的理解以上理論知識(shí),當(dāng)A品種的石英晶振在進(jìn)行離子刻蝕微調(diào)時(shí),發(fā)現(xiàn)頻率分布整體偏低,接近20ppm。因?yàn)閾?dān)心現(xiàn)F-不良,希望將整體頦率調(diào)鬲。此時(shí)應(yīng)該確認(rèn)是否是因?yàn)?/span>H段加工時(shí)的速度太慢, 導(dǎo)致L段加工前的頻率過(guò)低。使得在進(jìn)行L段加工時(shí),時(shí)間過(guò)長(zhǎng),超過(guò)了設(shè)備的監(jiān)控時(shí)間,而強(qiáng)制停止L段加工。

而操作員沒(méi)有經(jīng)過(guò)確認(rèn)就主觀的將最終日標(biāo)頻率調(diào)高, 發(fā)現(xiàn)頻率略有上升,但仍然偏低。就調(diào)高L段的刻蝕速度,剛開(kāi)始有一定效果,但是沒(méi)有達(dá)到理想狀態(tài),就繼續(xù)調(diào)高L段刻蝕速度,此時(shí)不但沒(méi)有效果,反而因?yàn)樗俣忍?/span>,刻蝕后的頻率偏移使得頻率有略微的下降。并且出現(xiàn)因刻蝕速度的太高而產(chǎn)生的F+不良(如圖4-8)。因?yàn)闆](méi)有專業(yè)技術(shù)繼續(xù)調(diào)整,并且認(rèn)為不良品數(shù)量不多,為了趕快完成當(dāng)日產(chǎn)量,就繼續(xù)加工制品。此時(shí),因?yàn)?/span>H段的刻蝕速度低,影響加工效率, 并由于F+的出現(xiàn),增加了產(chǎn)品的不良數(shù)。

圖4-8各參數(shù)設(shè)置不良時(shí)離子刻蝕后頻率偏移的頻率分布表

為了解決這一問(wèn)題,本文通過(guò)前幾節(jié)的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),制定標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)。首先將最終晶振頻率設(shè)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(shè)定為80ppm/s。為了控制L段的刻蝕量在100pm左右,將中間目標(biāo)頻率設(shè)定在-45pm,H段加工速度設(shè)定為1600ppm/s,這是H段加工后的結(jié)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(shè)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(shí)際頻率以晶振頻率為中心分布。將上述方法設(shè)定的參數(shù)作成作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)書(shū)如圖4-9所示,讓作業(yè)員遵照?qǐng)?zhí)行。圖4-10是按此作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作,對(duì)制品加L后的頻率分布。山圖中可以看出頻率是以日標(biāo)頻率為中心分布的,并且分布比以前集中,也沒(méi)有不良出現(xiàn)。因此,本論文提出的方法可以提高產(chǎn)品的合格率。

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(guò)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(shuō)的是關(guān)于石英晶振晶片的由來(lái)以及石英晶振晶片的工作原理.

石英晶振晶片的由來(lái)

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(kāi)「關(guān),晶體就會(huì)振動(dòng)。

在1950年,德國(guó)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(cè)試振動(dòng), 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)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(guò)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(guò)檢測(cè),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(duì)于旋光率為右旋晶體,所謂AT切割即為切割面通過(guò)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(duì)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(chǎng)中晶體的大小會(huì)發(fā)生變化,伸長(zhǎng)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(lèi)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(guò)測(cè)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(lèi)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(lèi)型的頻率常數(shù)對(duì)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(guò)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(duì)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(cè)石英晶體固有頻率的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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?chē)碾娮釉骷M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(duì)每個(gè)石英晶振邊測(cè)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(jiǎn)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(lái)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(yáng)極周?chē)惭b永久磁石,使得在軸方向加上了磁場(chǎng)這樣的磁控管就變成了離子透鏡, 可以對(duì)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(guò)對(duì)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(guò)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(guò)π回路使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)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(wú)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(wú)法對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)制品的搬送和頻率的測(cè)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(méi)有離子束的刻蝕,使擋板的使用壽命大大增長(zhǎng)。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(jiǎn)化自動(dòng)化過(guò)程中的參數(shù)設(shè)定,只對(duì)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(cè)得的電流密度。從圖中可以知道,對(duì)于不同的beam電壓,放電電流變化時(shí),都有相對(duì)應(yīng)的放電電流使得電流密度達(dá)到最大。本文說(shuō)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(méi)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(méi)有被油污染。接著還要保證石英晶振,石英晶體諧振器上沒(méi)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(wèn)題,這個(gè)問(wèn)題將直接影響到生產(chǎn)效率和合格率。