抗高過載石英晶體元件的研制

呂培青，張輝

（陜西華星電子集團(tuán)公司陜西咸陽712099）

科學(xué)技術(shù)的水平不斷提高，電子產(chǎn)品也朝著智能化發(fā)展。隨著石英晶體元件在電子產(chǎn)品中應(yīng)用范圍越來越廣，對(duì)石英晶體元件的抗過載的能力要求就越來有高，特別是近年來在電子產(chǎn)品的科學(xué)技術(shù)推動(dòng)下，其在電子設(shè)備信號(hào)源中起著關(guān)鍵作用的石英晶體元件提出了特殊的要求，即石英晶體元件要有抗高過載能力（1 000～20 000 g）在飛機(jī)導(dǎo)航、制導(dǎo)等有高沖擊要求的環(huán)境中使用的晶體元件，美國、俄羅斯等國家發(fā)展較早，在此之前此類產(chǎn)品重要依靠進(jìn)口，這樣不僅使整機(jī)的生產(chǎn)周期加長(zhǎng)，在有的時(shí)候還會(huì)出現(xiàn)無法采購，造成整機(jī)生產(chǎn)停滯，為此情況我們開始了抗高過載石英晶體元件的研制。在頻率為3～60 MHz晶體元件研制和批量生產(chǎn)中取得了初步的成效。

1 石英晶體元件的研制

1.1 石英晶體元件的工作原理

1880年居里兄弟發(fā)現(xiàn)，在石英晶體的特定方向上施加壓力或拉力會(huì)使石英晶體表面出現(xiàn)電荷，并且電荷的密度與施加外力的大小成比例，這就是壓電體的正壓電效應(yīng)，從此便開始了壓電學(xué)的歷史[1]。石英晶體受到外力作用時(shí)，在它某些表面上產(chǎn)生電荷即為石英晶體的壓電效應(yīng)。當(dāng)晶體表面受到電場(chǎng)作用時(shí)它的某些方向發(fā)生形變，這種現(xiàn)象叫做石英晶體的逆壓電效應(yīng)。石英晶體元件就是利用石英晶體的逆壓電相應(yīng)制成的元件。而石英晶體在切割方位、幾何尺寸、電極位置的不同，產(chǎn)生不同的振動(dòng)模式，它的諧振頻率等電氣參數(shù)及溫度特性各不相同，而該產(chǎn)品為了給在高沖擊的環(huán)境下器件提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)信號(hào)源，要求有很強(qiáng)的抗過載能力，還要具有高穩(wěn)定性、高可靠性，在強(qiáng)沖擊力下保證其能夠正常工作。鑒于上述原因，我們?cè)诋a(chǎn)品內(nèi)部結(jié)構(gòu)上采用新型托架固定石英片，由于石英片工作原理的特性不能將石英片固定太死，因此采用在石英片與托片之間用彈性很好的硅橡膠填充固化，使得石英晶片在托架中具有良好的活性，適應(yīng)抗強(qiáng)過載能力并具有高可靠性的特點(diǎn)。

石英晶體元件的等效電路圖[3]如圖1。圖中L1為等效電感，C1為晶體的等效電容，C0為靜電容，R1為晶體的動(dòng)態(tài)電阻，它反映了振動(dòng)時(shí)機(jī)械損耗的大小[2]。由于用厚度振動(dòng)模式制作的石英晶體元件具有良好的穩(wěn)定性和溫度系數(shù)小，同時(shí)具有加工工藝復(fù)雜系數(shù)小的特點(diǎn)。本次石英晶體元件的晶片采用的是厚度振動(dòng)膜式。厚度切變振動(dòng)的一般頻率方程為：

式中t、I、w分別為晶片的厚、長(zhǎng)、寬，n、m、p分別為沿厚、長(zhǎng)、寬方向（Y、X、Z方向）的泛音次數(shù)k1、k2為實(shí)驗(yàn)確定的常數(shù)。當(dāng)i=w時(shí)，相當(dāng)與方片或圓片的情況，如果m=p=1上式可簡(jiǎn)化為：

如果直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于厚度，則上式可近似為：

由于生產(chǎn)晶體材料SiO2硬度大，但自身還有諧振模式和活力影響兩者之間的矛盾要盡量克服。石英片鍍銀電極覆蓋區(qū)域的振動(dòng)最強(qiáng)。距離電極區(qū)越遠(yuǎn)振動(dòng)越弱。晶片的尺寸越大，邊緣振動(dòng)越弱。安裝時(shí)晶片振動(dòng)的能量損失越小，反之增加能量的損失。

圖1 等效電路圖Fig.1 Equivalent circuit diagram

高過載是在1 000 g以上的加速度過載情況下，石英晶體元件能夠穩(wěn)定的工作，因此石英晶體元件的設(shè)計(jì)首先考慮自身的加速度敏感度要小，AT切石英晶體元件能夠獲得較小的加速度敏感度，晶片的選擇上平凸片和雙凸片比平片的加速度敏感度要小，在實(shí)際設(shè)計(jì)中盡量選擇平凸片。

AT切晶體的振動(dòng)為厚度切變，諧振頻率的高低與晶體的厚度有關(guān)，晶片的設(shè)計(jì)主要有：確定晶片的原材料、外形尺寸、切割角度和公差、最終頻率和公差及表面光潔度等的要求。由于該類晶體元件在導(dǎo)引系統(tǒng)以及飛機(jī)導(dǎo)航中使用。所以要考慮抗沖擊的能力，根據(jù)結(jié)構(gòu)的支架設(shè)計(jì)和封裝形式晶片外形采用圓形設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)（直徑選取φ8.65、φ6.50）。

1.2 結(jié)構(gòu)

在實(shí)際應(yīng)用中，不可避免的要工作在高加速度環(huán)境中，在惡劣的工作環(huán)境中，石英晶體元件頻率的隨加速度的變化而產(chǎn)生漂移，這是由于工作環(huán)境的加速度使晶片的機(jī)械振動(dòng)發(fā)生改變，從而使頻率發(fā)生漂移，這種漂移取決于石英晶體元件本身的加速度敏感度以及加速度的量級(jí)，因此晶體諧振器的頻率漂移正比于其所受的加速度。

在石英晶體元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采取減振方案，使外界的加速度不能有效的傳遞到晶片上，事實(shí)上，完全減掉外界加速度是不能做到的，做一個(gè)合理的設(shè)計(jì)可以極大的減小從外界傳到晶片上的加速度。

為了能夠達(dá)到抗高過載的能力，便于固定晶片選用圓形，這樣在沖擊的瞬間化解沖擊強(qiáng)度。采用彈性良好的材料作為緩解沖擊力并起到保護(hù)晶片作用的托架，托架與晶片之間用彈性材料進(jìn)行填充，這樣的結(jié)構(gòu)保證了石英晶體元件在受到高過載的情況下能夠正常的工種。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2。

圖2 結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure schematic drawing

1.3 石英晶體元件半成品材料選擇

考慮到石英晶體元件的良好的頻率溫度特性和高Q，晶體材料選擇：

1）Q值≥260萬；

2）使用Z棒料；

3）毛片高溫退火。

1.4 石英晶體元件的成品加工

1）為保證鍍膜質(zhì)量，鍍膜錢待鍍電極晶片一定要嚴(yán)格清洗和烘烤，以消除殘余應(yīng)力，除去水份[5]；

2）微調(diào)后做快速老練處理；

3）填充彈性材料；

4）封裝。

1.5 石英晶體元件的測(cè)試與試驗(yàn)

1）按GJB2138-94《石英晶體元件總規(guī)范》中要求對(duì)石英晶體元件進(jìn)行振動(dòng)、溫度沖擊、高溫壽命等環(huán)境試驗(yàn)[6]；

2）測(cè)試合格的產(chǎn)品，進(jìn)行單方向一次沖擊（根據(jù)要求不同1 000～20 000 g），外殼略有些變形，可正常工作；

3）下面是部分參數(shù)測(cè)試記錄及與國外同類產(chǎn)品性能對(duì)比見表1、表2、表3。

表1 進(jìn)口產(chǎn)品測(cè)試記錄Tab.1 Im ported product testing records

表2 測(cè)試記錄Tab.2 Test records

表3 20 000 g沖擊前后測(cè)試記錄Tab.3 Before and after the 20 000 g shock test records

表中，f為諧振頻率，顯示的數(shù)據(jù)是該溫度下的頻率值與標(biāo)稱頻率的差值；R為該溫度下的等效電阻值。

通過試驗(yàn)及廠家在整機(jī)的使用和抗高過載試驗(yàn)驗(yàn)證，我們研制的這個(gè)結(jié)構(gòu)的石英晶體元件具有抗高過載的能力，在高沖擊下能夠正常工作。

3 結(jié)束語

通過近幾年的研制，我們很好的完成了抗高過載石英晶體元件的研制開發(fā)工作，通過一個(gè)點(diǎn)的研制生產(chǎn)擴(kuò)展到一個(gè)頻率段的批量生產(chǎn)，形成了一套較為成熟的設(shè)計(jì)文件和工藝文件，其產(chǎn)品已應(yīng)用到多種領(lǐng)域。由于該類產(chǎn)品具有頻率穩(wěn)定性好、體積小、工作溫度范圍寬、抗沖擊范圍寬及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，可應(yīng)用于機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)、無人機(jī)航空導(dǎo)航、高速火車通訊系統(tǒng)等領(lǐng)域。由于該產(chǎn)品的特殊要求，工藝還不過現(xiàn)今在批量生產(chǎn)中的通過率還很低，滿足大規(guī)模生產(chǎn)的需要是我們今后提高的目標(biāo)。

[1] 裴先茹，高海榮.壓電材料的研究和應(yīng)用現(xiàn)狀[J].安徽化工，2010（3）:4-6.PEI Xian-ru，GAO Hai-rong.The research and application status of piezoelectric materials[J].Anhui Chemicals，2010（3）:4-6.

[2] 史振華.石英晶體元器件的設(shè)計(jì)與制造[J].壓電晶體技術(shù)，2001：172.SHI Zhen-hua.Quartz crystal components design and manufacturing[M].Piezoelectric Crystals Technology Editorial Office，2001:172.

[3] 張沛霖.壓電材料與器件物理[M].山東：山東科學(xué)技術(shù)出版社，1997.

[4] 陳志遠(yuǎn)，王榮彬.石英諧振器及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，1987.

[5] 林勇，陳樺.石英晶體諧振器生產(chǎn)工藝流程綜述[J].電訊技術(shù)，1997（3）：15-20.LIN Yong，CHEN Hua.Quartz crystal resonator production process were reviewed[J].Telecommunication，1997（3）：15-20.

[6] GJB 2138-94.石英晶體元件總規(guī)范[M].北京：國防科工委軍標(biāo)出版，1994.