石英晶体

石英晶体（精选7篇）

石英晶体篇1

0 引言

石英晶体在电子装置中大量应用,晶体生产工厂在加工过程中,为了提高集中率和满足不同客户所需特定频率的要求,需要对频率进行精细的调整。石英晶片的特性之一是,其宽度和长度的缩小时,频率会升高,石英晶体有这样一特性,当其镀层负载减小时,其谐振频率会规律性升高。传统的加工技术是只对长度进行手工调整,逐片在测频仪上测出频率,若不起振,则是废品;若起振,则根据F值作判断,如F>F0(F0为目标值),作废品处理,若F

在手工加工过程中,速度慢,工作强度大,而且容易使工人的体力和视力产生疲劳,质量的稳定性得不到保障,更为重要的是,在整个加工过程中,无法或很难对输入电容CI值进行调整,而现有的工艺,在切割过程中,很难保证两背的平衡,这样就使石英晶体CI值偏大,产品质量不是很理想。

开发这款机器的目的,总的来说就是:

(1)利用设备代替人工生产,解决劳动力资源日益紧缺的现象,走自动化生产的道路,改变传统的生产模式,适应市场日益竞争的需要;

(2)利用设备来提高产品的品质,随着市场对高质量产品的需求的增大,我国的产品质量与日本产品相比有很大的差距,只有通过自动化设备的开发和投入使用,才能多、快、好地提升产品的质量,适应市场激烈的竞争;

(3)开发新产品,电子产品已向小型化、贴片化方向发展,音叉石英谐振件也要向小型化贴片化方向发展,而手工调频已无法达到其质量要求,只有以自动生产线作为平台,才能更好的向小型化贴片化方向发展[1,2]。

1 技术方案

音叉型石英晶体谐振件是在外交变电压的作用下,通过石英晶体的逆压电效应,产生振动,当外加高频电压频率和石英晶片固有振动频率一致时,石英晶片就产生谐振。在外交变电压的作用下,石英晶片的两背作相位相反的弯曲振动,弯曲振动的频率方程为:f=KL2/T,其中K为频率常数,随切角和边比而改变,L为音叉背的长度,T为音叉背的宽度。

音叉型石英晶片的频率调整有两种方式,一种方式是增加银膜厚度,改变频率常数K,来得到要求的频率值;另外一种方式是改变音叉背的长度L,来得到要求的频率值。在现在的生产方式中,一般都是采用第二种方式来生产的。镀膜后的音叉石英晶片的谐振频率都设计为低于目标频率,然后通过机械研磨减小音叉石英晶片的两背长度L,使音叉石英晶片的频率上升。

基于这种原理,需要设计的主要为以下四个模块,即砂轮模块、机械手模块、自动送料模块和成品分选模块。再辅以气动力和电气控制,组成整个自动系统。

系统的工作顺序为:晶片自动送料→→机械手夹持晶片→→研磨晶片→→成品按规定值分选。

2 实施方式

本项目经过研发小组对方案进行多次的论证和分析,查阅了大量中外相关资料,结合我司多年生产晶体的实际经验,确定了如下几项主要开发内容。

2.1 自动送料装置的开发

(1)解决晶片排列顺序问题,克服晶片排列堆积现象

石英晶体谐振件在研磨时只能研磨音叉背,音叉底部的任何磨损都是不允许的,这就存在晶片自动送料装置送片的位置问题,我司通过马背的巧妙设计,让所有晶片的底部都朝前方,从而解决了晶片送料时的排列顺序问题。

在实际应用中,马背上存在晶片堆积现象,这不利于自动送料的连续性,通过修改马背的形状,调整送片振动的时间,克服了晶片排列堆积现象。

(2)利用光电技术解决送料槽出片与卡头对接问题

晶片从送料槽出来,卡头就应去夹持,然后再去研磨。这就存在着什么时候出片、什么时候卡头去夹持的协调问题。我司通过加装光电传感器,当晶片到达、卡头又空闲时,通过CPU的指令,卡头执行一系列的动作,完成夹持工作,从而解决了送料槽出片与卡头对接问题。

2.2 晶片卡头的研究

(1)卡头结构上设计的创新性

石英晶片具有小而且脆的特性,在夹持时稍不注意,整个晶片就会破损报废。我司设计出专用的卡头,采用上下、左右同时夹持,利用弹簧控制力度、橡皮圈缓冲力度的方法,解决了石英晶片小而且脆、不易夹持的难题,取得较理想的结果。

(2)卡头动作的协调性、可靠性和夹持精度

由于采用了上下、左右同时夹持,存在卡头动作的协调性、可靠性和夹持精度问题,通过单片机进行程序的控制,辅以辅助吹气,增加了夹持的可靠性和夹持的精度。

2.3 研磨机构的研制

(1)试验研磨的具体工作参数

研磨时,如果砂轮的转速较小,影响了整个加工的速度,如果砂轮的转速较大,又很容易使晶片超频。我司采用了三种速度调整的方法,在不同的情况下采用不同的砂轮转速,取得较好的效果。通过大量的试验,确定了高、中、低速的具体数值。

(2)确保砂轮的寿命与晶片研磨的质量

在研磨过程中,通过砂轮缓慢的上下移动,既扩大了砂轮的使用面积,延长砂轮的寿命,又提高了晶片研磨的质量。

以下通过调频机的结构示意图作详细的说明。

图1所示为自动送料。石英晶片倒入圆振盘2,通电后,圆振鼓1和直线振鼓3振动,石英晶片在圆振盘2有序排列,进入直线送料槽4,由直线送料槽4进入出料口5,出料口感应器7感应到有晶片到,机械手系统做相应动作,出料口汽缸6打开,晶片进入机械手卡头。

图2所示为整机示意简图。圆振盘1将石英晶片有序排列,进入直线送料槽2,有晶片时,卡头3前伸,接片后后缩,机械手转动部分7转动90°到研磨位置6,前伸,砂轮5开始转动,剪切机构4动作,决定研磨的方向和研磨量。研磨完成后,卡头反方向退回到3位置,分料盘8转动到相应位置,卡头释放石英晶片,分料盘8回到原点,卡头根据直线送料槽2有没有石英晶片,决定第二次循环。

图3所示为整机布局。1、2组成自动送料系统。机架上安装了圆振盘1、与圆振盘1出口对接的直线送料槽2,位于直线送料槽2出口下方的可旋转的分料盒3,机械手夹片装置4,机械手转向驱动盘6,砂轮装置12,控制机械手夹片装置4左右摆动装置剪切系统9及左右挡片10,砂轮电机12,一对砂轮11。

机械手转向驱动盘6旁边设置光电传感器5,驱动盘6偏心轴连拉杆7,拉杆7一端与滑轨8后端轴相连,驱动盘6边缘开有一缺口,当缺口转到传感器5的位置时,也即机械手夹片装置4正对直线送料槽2出口位置,CPU发出夹片动作的一系列指令,同时锁定机械手夹片装置4使晶片准确定位,并测量其频率。当驱动盘6转离开传感器5的位置时,拉杆7拉动滑轨8后端,使机械手指向砂轮磨削装置,CPU发出磨削动作一系列指令,包括松开机械手夹持装置,左右摆动装置剪切系统9开始工作,同时调整砂轮12的转速、砂轮的升降往复运动等。加工完成后,根据研磨的结果,CPU发出指令,分选机构3的电机转到相应位置,机械手夹片装置4回到取片位置,释放加工好的晶片,再开始下一个轮回。

图4、图5分别为机械手夹片装置侧视图、俯视图。当机械手夹片装置位于夹片位置时,定位汽缸5锁定夹头,机械手夹片装置前升,同时上卡头汽缸4和左卡头汽缸6工作,上卡头3和左卡头1被打开,石英晶片在辅佐气体的作用下,进入卡头,上卡头汽缸4和左卡头汽缸6释放,机械手夹片装置回缩,完成一次取片。

图6、图7所示为卡头。自动送料装置的出料口1有石英晶片时,卡头前伸接片,上卡头3左卡头5张开,晶片在辅佐气体作用下,进入卡头,上卡头3左卡头5释放,夹持住晶片。2为上卡头软键,4为右卡头,右卡头4和左卡头5组成电极对,供给晶片高频脉冲,起振。

图8所示为剪切机构。为了使晶片两端得到均衡研磨,在砂轮装置前设置能驱动机械手左右摆动的剪切机构。剪切电机1通过传动机构弹簧机构2和弹簧3左右摆动,CPU判断该研磨哪边,弹簧机构做相应的动作,使石英晶片得到均衡研磨。

图9、图10所示为砂轮机构。一对并列柱状砂轮9、10之间设有间隙,其中一砂轮轴11外固定套装皮带轮13,让另一轴一起转动。砂轮电机通过皮带驱动砂轮9转动,电机可根据CPU指令调整转速,已适应不同研磨阶段精度要求。砂轮旁边安装一气路口8,吹走砂尘。

为防止在单一位置对砂轮柱面研磨出槽沟,影响寿命和研磨质量,砂轮应做上下运动。上叙砂轮装置由两根导柱4支持,该导柱4通过轴承3穿过底板,而受凸轮机构的升降台6与导柱固套,使导柱可随升降台上下移动,2为升降台电机。5为拉簧,6为工作台面。

3 调频机试制情况和工艺重点

3.1 卡头制造工艺及关联零件的工艺

卡头在本设备中,是个最重要的部件,左右夹片很容易磨损,我司曾采用氧化锆陶器做左右夹片,但由于国内工艺不能做到3mm薄的夹片,最后还是采用了耐磨不锈钢做的夹片,效果也较为理想。

3.2 研磨砂轮轴的改进

研磨时砂轮轴的同轴度决定了晶片的研磨质量,通过对砂轮轴形状及砂轮轴制造工艺的改进,使砂轮轴的同轴度达到Φ0.02mm。

3.3 合格率的提高

研制出来样机的晶片调频合格率只有63%,通过对研磨工艺的持续改进,及上面提到的卡头制造工艺和砂轮轴制造工艺的改进,晶片调频的合格率达到95%以上。

4 结束语

我司从机器的基本要求、主要零部件选材和加工质量要求、装配质量、外观质量要求等几方面规定了调频机的生产制造工艺。对外购件、外协件进行了标准规定,气动系统必须符合GB/T7932的规定,送料系统、机械手系统、分类系统及各系统的关键部件必需符合调频机标准的规定。

我司已经生产的100多台机器,在标准控制方面做得相当到位,关键部件的制造尤其做到了精益求精,确保了机器的质量和性能。

日本音叉石英晶体行业早在上世纪60年代,就研制出了同类机器GTS-1,通过不断地改进,到上世纪80年代,生产出第三代产品GTS-3,上世纪90年代和本世纪初,日本音叉石英晶体行业推出砂带研磨方式的QM系列,将机器的性能推到更高的层次。

本世纪初,由于受人力资源紧张,普通劳动力紧缺的影响,国内企业技术人员积极地投入到全自动产品的研发中。本公司在这一方面研发较为成功,经过研发、试制、调试、小批量生产,现已批量生产,为本公司节省了大批的劳动力,产品质量取得质的飞越,赢得较理想的经济效益和社会效益。

石英晶片频率自动调频设备具有广阔的市场前景。如果国内石英晶体谐振件生产线上的晶片频率调整工序,都由手工调整改为自动调整,则该设备需求量在5 000台以上。我司需求量在300台左右。

据了解,该同类机器设备在日本市场售价约15万元RMB,我公司自行研制的调频机成本约为2万元RMB。预计投向国内市场,定价在3万元RMB,但就该设备市场价值可为我司创收18 000万元RMB,新增利税6 000万元RMB。

石英晶片频率自动调频设备具有良好的市场推广价值,一旦投入国内市场,将产生十分可观的社会效益:

(1)大大缩短石英谐振器的生产周期,节约劳动力资源;

(2)提高国内石英产品的性能,提高产品的稳定性和合格率;

(3)为开发微型元件、贴片元件等高附加值产品提供了良好的平台。

摘要：研制了一种机电设备,涉及电子装置常用的音叉式石英晶片的机械加工技术领域,是一种利用砂轮对石英晶片的频率和阻抗进行自动调整的装置。该设备包括振动盘送料机构,机械手回转机构,砂轮磨削机构和测试分料机构,再辅以电气控制,形成了整个机械加工自动化控制系统。该装置不仅加工精度高,而且自动化程度高,提高了生产效率,使用效果好,取得了良好的社会经济效益。

关键词：石英晶体,砂轮加工,机械自动化设备

参考文献

[1]ST/T10015-91JU38和JU26型钟表用32kHz音叉石英晶体元件[Z].国营七九五厂,1991.

[2]李严,王中年.石英晶体自动微调装置[P].ZL200920137798.9,2010.

基于石英晶体的遥测温度计设计篇2

1 温度计测量原理

温度计测温电路由振荡电路、差频电路、频率计和微处理器组成。石英晶体温度传感器选择Epson公司生产的Y切型温度传感器HTS-206,其振荡频率在40 kHz附近。测温晶体输出与被测温度相关的频率信号,参考晶体采用的是OCXO(T2)晶体模块,其输出频率可以看作与温度无关,二者的频率通过差频电路整形后得到几百Hz的方波,该方波作为门控信号,从而实现OCXO(T1)频率的计数功能,这个计数结果送入单片机进行温度的计算,最后由显示电路驱动LCD显示器。测量原理框图如图1所示。

2 石英晶体传感器的原理

设计选择石英晶体作为温度传感器,其频率-温度特性为

$f (Τ) = f_{0} (t) + f_{0} \sum_{n = 1}^{\infty} Τ_{f}^{(n)} (Τ - Τ_{0})^{n} (1)$

为保证良好的频率-温度成为良好的线性关系,石英晶体的T $_{f}^{(1)}$ 远大于其余各项,最佳状态是T $_{f}^{(1)}$ 后面的所有项都为零,但实际生产过程中很难做到这一点[4]。从文献[3]中,对于Y切型石英晶体,其一阶温度系数T $_{f}^{(1)}$ ≈4×10-5 ℃,T $_{f}^{(2)}$ 和T $_{f}^{(3)}$ 都远<T $_{f}^{(1)}$ ,可以保证输出温度与频率之间良好的线性关系。

通过上述分析,为后续测量方便,使用式(2)代替式(1)

f(T)=f0(T)+f0T $_{f}^{(1)}$ (T-T0) (2)

如果可以测得频率f(T),理论上就可以求解温度T。但这种方法并不简单,因此,首先用它的线性近似方程(4)来求解

$Τ = \frac{f (Τ) - f (Τ_{0})}{Τ_{f}^{(1)} \cdot f_{0}} + Τ_{0} (3)$

通过计算得到频率T的修正值

f=f0[T $_{f}^{(2)}$ ·(T1-T0)2+T $_{f}^{(3)}$ ·(T1-T0)3] (4)

为减少计算的误差,进行了4次迭代,且记为

$Τ_{5} = \frac{f (Τ) - f (Τ_{4})}{Τ_{f}^{(1)} \cdot f_{0}} + Τ_{4} (5)$

3 系统硬件电路设计

3.1 石英晶体振荡电路设计

为获得所需的频率信息,需要用石英晶体和相关元件构成振荡电路才能获得频率信号的输出。由于传感器的精度要求高,所以要求振荡器元件的温度性能要好,石英晶体与电路的接线要短,并要求振荡电路的振荡裕度大。参考已有的几种电路设计原理[4,5],本文采用的石英晶体振荡电路如图2所示。

这个差频信号用于后续计数电路的门控信号,门控芯片实现对T1(OCXO)的计数功能,计数所得的计数值与测量的温度值相对应,从而可以计算出测量的温度值。根据石英晶体HTS-206的资料可知,温度在-40～+85 ℃时,频率变化的范围约为150 Hz,即温度变化1 ℃时频率变化1.2 Hz,如果直接采用这个测量频率来计算温度,就不能保证温度测量的精度,所以不予采用。与文献[6]中使用的频率测量方法相比,本文设计的方法以待测的频率信号作为门控信号,用这个门控信号测量T1(OCXO)在这个门控周期内频率的变化量,通过这个变化量再计算温度,该方法大幅提高了测量的灵敏度,保证了测量精度。

3.2 单片机与芯片nRF2401的接口

无线数据收发部分主要是单片机MSP430F169与nRF2401芯片的接口电路设计[5,6,7]。nRF2401通过外接晶体为它提供工作所需的时钟。nRF2401还必须有天线电路,才能实现数据的收发。数据采集芯片MSP430F169与nRF2401芯片通过SPI相连,由于nRF2401芯片的SPI接口只有一个数据管脚,所以该管脚与数据采集芯片MSP430F169的SPI管脚直接连接。数据采集芯片MSP430F169的SPI口两个管脚都连接到nRF2401芯片的DATA管脚,因此数据采集芯片MSP430F169的SPI管脚都需要串接10 kΩ的电阻。另外,由于DR1为高电平有效,因此需要将P2.2管脚拉低。图3为数据采集芯片MSP430F169与nRF2401芯片的接口电路原理图。

4 系统软件设计

设计利用串口调试助手来选择模块工作于发送还是接收模式,系统每隔5 s检测串口,在串口没有数据时,系统进入待机状态,这种设计方式有利于降低系统的功耗。在实际操作过程中,首先对单片机和nRF2401进行初始化,nRF2401的初始化主要包括对射频模块的收发模式、信道频率、传输数据速度、地址、校验、功率等部分的配置,其流程图如图4所示[8]。

5 实验测量数据

表1为在实验室环境下,测得石英晶体温度传感器输出频率值与被测温度值之间的对应关系表。

从测量数据可知,对于任何一个温度而言,Δfi/ΔTi≤1/0.05 ℃(频率/温度比),即每一个数字量可以对应0.05 ℃的温度变化,此方法构成的温度计在-40～85 ℃的温度范围内,其准确度优于0.05 ℃。

6 结束语

介绍了MSP430F169和石英温度传感器并结合nRF2401实现的高精度数据采集及无线传输功能。采用间接的温度方法,实现了0.05 ℃温度分辨力。采用nRF2401为专用的无线数据传输芯片,具有所需外围元件较少、数据收发可靠等优点。实验数据表明,采用这种间接方式设计的新型温度测量电路具有较高的准确度、较好响应速度、良好的抗干扰能力。

摘要：介绍了Y切型石英晶体作为传感器的数字温度计,其输出的频率信号与温度存在较好地线性关系,没有模拟传感器难以克服的温漂、时漂等问题,该温度计可用于高精度的温度测量与控制系统中。实验结果显示,文中设计的数字温度计分辨力为0.05℃。系统使用无线数据模块实现了温度数据的传输。

关键词：温度计,传感器,分辨率,无线数据模块

参考文献

[1]何瑾,李朝辉,孙鹏.用于遥测的新型水晶温度传感器[J].工业仪表与自动化装置,2006(1):43-44.

[2]王玉娟,董晓辉.一种音叉式水晶温度传感器[J].传感器技术,2009(1):31-35.

[3]孙鹏.数字传感器非线性校正方法研究[J].工业仪表与自动化装置,2009(4):15-17.

[4]吕日新,周学酬,冯明辉.涂敷脲醛树脂的石英晶体微天平湿度传感器[J].传感技术学报,2012(2):166-169.

[5]徐晶,骆英.QCM振荡频率检测平台的建立及其稳定性探讨[J].传感技术学报,2008(5):791-794.

[6]赵升,张辉.用石英温度传感器HTS-206实现高精度温度测量[J].仪器仪表学报,2004(4):372-374.

[7]武红娟.基于CC1020芯片无线传输系统的设计与实现[J].机械与电子,2010(5):120-121.

石英晶体篇3

1 π网络法测试原理

在串联谐振状态下,石英晶体等效电路模型[2,3]如图1所示,C0为静态电容;L1为动态电感;Rr是串联谐振电阻;C1为动态电容。

其等效阻抗为

$Ζ (j ω) = R_{r} + Ζ_{s} + j (ω L_{1} - \frac{1}{ω C_{1}})$ (1)

式中,ω为信号源所输出信号的角频率,ω=2πf;Zs为π网络的等效阻抗。根据式(1)可以画出石英晶体阻抗-频率特性曲线如图2所示,f0为石英晶体的串联谐振频率,f1为并联谐振频率,本系统需要测量石英晶体的串联谐振频率[4,5]。

由图2可以看出,当信号源频率为f1时,石英晶体的阻抗最小;当信号源频率为时石英晶体的阻抗最大。利用这个特性可以得到石英晶体的串联谐振频率、并联谐振频率等参数。石英晶体电参数测试方法有3种:阻抗计法、π网络最大传输法、π网络零相位法。π网络最大传输法是将石英晶体插入一个π网络中,不断改变π网络一端激励信号的频率,在另一端测量输出信号电压值,当电压达到最大值时的频率即为串联谐振频率。其特点是测试设备较复杂,不易捕获峰值电压时的频率,精度较高;π网络零相位法原理;π网络零相位法是将石英晶体插入一个π网络中,在一端不断输出扫频信号,用矢量电压表检测π网两端的相位差,当相位差为零时的频率即为串联谐振频率。π网络最大传输法与π网络零相位法的主要差别是没有鉴相电路,将这两种方法统称为π网络法。

2 石英晶体测试系统硬件框图

系统采用π网络法,硬件框图如图3所示。系统以STM32F103ZET6型ARM为的MCU;AD9852型DDS用来产生正弦激励信号;TXCO(ROJON)型温度补偿晶振给DDS提供参考频率,此温度补偿晶振标称频率50 MHz;LCD作为人机交换接口用以显示参数和波形;4×4键盘可以输入预置参数,也可以作为功能按键控制系统工作;信号调理电路对激励信号滤波以及放大跟随,通过π网络的信号经处理反馈到STM32F103ZET6的A/D端口,对输出信号进行处理。MCU通过串口(USART)和上位机通信,上位机发送控制指令控制MCU工作,MCU将测试数据反馈给上位机。系统重点是利用STM32F103ZET6控制AD9852产生扫频信号,难点是对π网络输出端信号的处理[6]。

3 系统测试流程图

石英晶体测试参数测试仪在通电复位后首先初始化STM32F103ZET6内部寄存器,然后再初始化系统各功能模块包括LCD、DDS、USART、键盘、ADC等。在初始化完成之后通过键盘或上位机设定被测石英晶体的标称频率、扫描的起始和终止频率以及扫描步进,参数设置完成后,通过上位机发送控制指令或键盘功能按键控制系统工作,在串口和键盘未产生中断时,DDS会产生与设置参数相应的扫频信号,LCD实时显示π网络反馈到STM32F103ZET6的ADC管脚的波形,待转换结束后MCU处理并保存数据,测试结果送回上位机并在LCD上显示。具体流程图如图3所示。

4 DDS扫频输出控制

系统对DDS信号源设计的核心是控制产生0～100 MHz扫频信号,信号的质量直接决定测试精度。由于采用温度补偿晶振给AD9852提供50 MHz参考频率信号,因为AD9852产生的正弦信号是用于测试石英晶体参数的,所以对其参考频率信号稳定度要求严格,TXCO(ROJON)型温度补偿晶振频率负载波动±10%时,稳定度最大为±0.1×10-6,满足系统精度需求。根据AD9852的文档得到其输出的最大频率为

$f_{\max} = \frac{f_{c}}{2}$ (2)

式中,fc为AD9852内部参考频率;fmax为DDS最大输出频率。fc可以通过AD9852地址为0x1e的寄存器4倍频,所以输出正弦波最大频率为100 MHz。测试时,先通过上位机或键盘输入测试晶体的标称频率及扫描步进,然后以标称频率为中心设置适当的起始扫描频率及终止扫描频率。假设一个步进对应的频率控制字为DFTW,则每个步进频率

$Δ f = \frac{D F Τ W \times f_{\max}}{2^{Ν} - 1}$ (3)

$D F Τ W = \frac{Δ f \times (2^{Ν} - 1)}{f_{\max}}$ (4)

假设步进为1 kHz,则DFTW=0x53e2d623。AD9852进行扫频输出前,首先通过键盘或串口设置石英晶体的标称频率、起始和终止频率、扫描步进频率,STM32F103ZET6初始化AD9852后,按设定参数输出相应扫频信号,扫频信号经过滤波、放大、跟随等信号调理电路进入π网络,π网络输出信号经过放大限幅处理后反馈到STM32F103ZET6的12位A/D输入端,在采集数据经过中值滤波去除毛刺处理后保存数据并比较判断是否为谐振点,如果不是,谐振点将频率控制字FTW会加上一个步进频率控制字DFTW,如此直到扫描到终止频率为止,找出谐振频率,最后根据公式算出石英晶体的谐振电阻。流程图如图5所示。

5 结束语

针对石英晶体参数测试系统,介绍了利用STM32F103ZET6控制AD9852作为信号源的方法。这种方法结合了传统PC机及普通单片机测试系统的优点,避开了前两者的缺点,可以快速地测试石英晶体电参数。通过实验测试频率控制在0～50 MHz时,测量的频率与平均测量值的相对偏差为<0.5×10-6,在此区间测量得到的石英晶体串联谐振频率精度在2×10-6以内,基本满足系统设计要求。如果增加DDS参考频率信号的稳定度以及提高信号调理电路的抗干扰能力,可大幅提高石英晶体串联谐振频率、串联谐振电阻的精度,将对石英晶体电参数测试系统的应用具有重大意义。

参考文献

[2]王艳林,李东,刘桂礼.石英晶体测试中的π网络零相位检测技术[J].航天制造技术,2004(2):16-20.

[3]宋新菊,李东.用于石英晶体—频率测试相位检测技术研究[J].传感器世界,2006(11):15-19.

[1]胡力.基于DDS的扫频信号源设计与实现[D].南京:南京理工大学,2006.

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[5]VENCESLAV F K.Phase and amplitude disturbances in di-rect digital frequency synthesizers[J].IEEE Transactions onUltrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,1999,46(3):481-486.

石英晶体篇4

随着人们对小型化、轻型化电子产品的不断追求, 发展小型表面贴装 (SMD) 石英晶体元器件是整个石英晶体行业的大势所趋, 按照目前的发展, 4.0mm×2.5mm, 3.2mm×2.5mm规格的晶体将是主流产品。目前, 国内SMD石英晶体成本很高, 主要是关键设备需要引进, 如镀膜、点胶、微调、封焊等设备。以前引进的上片点胶设备大部分都是使用机械校正定位方式装载晶片, 只能用于大尺寸规格的产品, 随着产品规格小型化的发展, 需要研制采用先进视觉系统测量识别晶片和基座、通过精密机械手完成上片点胶操作任务, 并对成品质量进行自动检测的点胶机, 从而加快我国SMD石英晶体元器件的发展步伐。

2 系统构成及工作原理

SMD石英晶体全自动点胶机的组成如图1所示。

SMD石英晶体全自动点胶机是在SMD石英晶体的基座上自动涂布导电性粘着剂, 再在其上面高精度地装载晶片, 并自动检测后收纳到提篮的设备。旋转分度台均分为八等份, 形成八个工位, 基座供给组件、摄像头1、点胶头组件1、摄像头2、晶片供给组件、摄像头3、点胶头组件2、摄像头4、晶体收纳组件依次占一个工位。工作时, 旋转分度台组件间歇转动, 在停歇时各个工位同时完成相应的工作。

将摆有基座的载盘放进提篮后放到基座供给组件, 摆有晶片的晶片转换板放进提篮后放到晶片供给组件, 装有空的基座载盘的提篮放到晶体收纳组件。在触摸屏上按照晶体规格设置好点胶参数, 然后按下开始按钮。基座供给组件、晶片供给组件、晶体收纳组件分别把一盘基座、晶片和空载盘从提篮里取出置于工作位置。然后基座供给组件从基座载盘中取出一颗基座, 供给旋转分度台上的点胶模座;旋转分度台旋转到摄像头1的位置, 在此工位摄像头1测量基座金属环的位置, 将数据反馈到图像处理系统;旋转分度台转到第一次点胶的工位, 点胶头组件1根据上工位的数据在基座电极上进行导电性粘着剂的第一次涂布;旋转分度台转到摄像头2工位, 摄像头2对胶点的涂布量及涂布位置的偏移进行检查, 将数据反馈到图像处理系统;旋转分度台转到晶片装载工位, 晶片供给组件从晶片转换板中取出一片晶片, 用摄像头3测定位置后装载到基座中的相应位置;旋转分度台转到第二次点胶的工位, 点胶头组件2在晶片上进行导电性粘着剂的第二次涂布 (可在软件中设置是否进行第二次涂布) ;旋转分度台转到摄像头4的工位, 摄像头4对装载在基座上的晶片的位置偏移及破损进行检查, 将数据反馈到图像处理系统;旋转分度台转到收纳工位, 晶体收纳组件将产品取出, 根据摄像头4的检测结果, 合格品放入收纳基座载盘中;不合格品放入NG基座载盘中。重复以上八个工位的步骤直至一盘产品完成, 将作业完了的基座载盘、晶片转换板、合格品基座载盘返还到各自的提篮中进行交换。任意一种提篮中的载盘作业完了, 机器将自动停机并发出警报提示操作员工放入相应的用品。

1.控制系统2.机架3.旋转分度台组件4.基座供给组件5.摄像头1 6.点胶头组件17.摄像头2 8.晶片供给组件9.摄像头3 10.点胶点组件2 11.摄像头4 12.晶体收纳组件

3 点胶机的结构设计

3.1 机架的设计

机架采用工业铝型材结构, 工业铝型材具有良好的机械性能, 耐腐蚀性强, 强度高, 外形美观以及经济、实用、灵活等特征。工业铝型材组装系统与传统的机械制造材料相比, 结构精度高, 外观精美, 易于拆装, 良好的重复装配精度, 是当前工业自动化领域中设备和机器框架制造的简易解决方案。机架的下部有钢板制作的封门, 里面空间用于安装控制系统的电路, 上部各面采用防静电的有机玻璃封闭, 调试和操作面采用开门, 以便于操作机器。

3.2 旋转分度台组件的设计

旋转分度台组件通过DD motor直接驱动来实现旋转运动及决定位置, 这种驱动方式由于没有减速机、联轴器、齿轮、皮带或丝杠等中间环节, 消除了相应的间隙误差, 尤其是避免了中间环节由于长时间运转所造成的机械磨损, 而且DDmotor的伺服特性可以随时修正误差, 以达到最理想的控制精度。从而系统误差被减至最少, 大大提高了工作效率。旋旋转分度台均分为八个工位, 每个工位上配置一个点胶模座, 点胶模座的吸着孔与真空管路连接, 真空可以将基座吸住, 以防在转动过程中产生位移影响产品质量, 同时通过数字式压力开关判断点胶模座是否有基座。

3.3 基座供给组件的设计

基座供给提篮的上下运动由步进电机 (L轴) 驱动, 工作时驱动提篮运动使目标载盘的底面与载盘座同高;用一个气缸把拉钩伸到载盘的拉钩孔上方, 另一个气缸把拉钩插入拉钩孔, 将载盘拉到载盘座, 使载盘上的V型口与载盘定位圆柱相对应, 然后气缸把拉钩拔出载盘, 定位压紧气缸推动定位圆柱卡紧载盘的V型口, 将载盘定位及压紧。基座供给吸嘴安装在气缸上, 气缸由机械臂 (X、Y两轴) 直接驱动, 使吸嘴的工作范围能够覆盖整个基座载盘;气缸伸出使吸嘴下降与基座接触然后利用真空的吸力从载盘吸出, 然后气缸收回吸嘴上升后机械臂驱动气缸使吸嘴运动到旋转分度台上的点胶模座后放下, 吸嘴上的基座有无通过数字式压力开关检测。先取出离旋转分度台近的基座, 这样可以防止吸嘴来回运动时将微尘落入载盘上的基座。完成一盘后拉钩再将空盘送回提篮, 同时取出下一盘基座, 这样循环直至提篮内的基座载盘变空。

3.4 点胶头组件1、2的设计

点胶头组件1、2的驱动方式一样, 只是安装位置不同而结构有一点变化。用机械臂 (两轴) 直接驱动来移动安装在气缸上的点胶针头, 在基座的两点电极上涂布导电性粘着剂。点胶针头的Z向运动用气缸伸缩完成, 气缸的行程用微分头控制, 行程可以精确微调, 以控制胶点的大小和形状。在针头旁边设有吐胶台, 在运转开始或在指定时间内未进行点胶的时候, 移动针头至吐胶台进行吐胶动作, 把暴露在空气中时间过长的导电性粘着剂去掉, 以保证胶点的质量。

3.5 晶片供给组件的设计

晶片转换板提篮的上下运动由步进电机 (L轴) 驱动, 工作时驱动提篮运动使目标转换板的底面与转换板座同高;用步进电机驱动偏心轮推动安装在直线运动导轨上的推板把晶片转换板从提篮里推出一定距离, 安装在用于驱动晶片供给吸嘴移动的机械臂 (X、Y两轴) 上的气缸把拉钩插入拉钩孔, 将转换板拉到转换板座, 使转换板上的V型口与转换板定位圆柱相对应, 然后气缸把拉钩拔出转换板, 定位压紧气缸推动定位圆柱卡紧转换板的V型口, 将转换板定位及压紧。晶片供给吸嘴机械臂 (三轴) 和步进电机直接驱动, 吸嘴运动范围能够覆盖整个晶片转换板;机械臂 (Z轴) 驱动吸嘴下降利用真空吸力从转换板吸出后上升, 机械臂 (两轴) 驱动吸嘴移动到摄像头3下, 摄像头3对晶片的重心位置、倾斜度及面积进行测定, 将数据送到视觉处理系统与基座的位置数据进行比较, 根据比较结果, 机械臂 (三轴) 和步进电机将晶片调整到与基座一致的位置后装载到基座中。吸嘴上的晶片有无通过数字式压力开关检测。先取出离旋转分度台近的晶片, 这样可以防止吸嘴来回运动时将微尘落入转换板中的基座。完成一盘后拉钩将空的转换板推回提篮, 同时取出下一盘晶片, 这样循环直至提篮内的晶片转换板变空。

3.6 晶体收纳组件的设计

基座提篮的上下运动由步进电机 (L轴) 驱动, 工作时驱动提篮运动使目标载盘的底面与载盘座同高;用步进电机驱动偏心轮推动安装在直线运动导轨上的推板把空载盘从提篮里推出一定距离, 安装在用于驱动晶体收纳夹爪移动的机械臂 (X、Y两轴) 上的气缸把拉钩插入拉钩孔, 将空载盘拉到载盘座, 使载盘上的V型口与载盘定位圆柱相对应, 然后气缸把拉钩拔出载盘, 定位压紧气缸推动定位圆柱卡紧载盘的V型口, 将载盘定位及压紧。夹爪安装在手指气缸上, 手指气缸通过另一个气缸安装在机械臂上, 由机械臂 (X、Y两轴) 直接驱动, 用夹爪从旋转分度台上的点胶模座中把晶体取出, 根据摄像头4的检测结果, 收纳合格品到基座载盘, 不合格品收纳到NG载盘, 先将合格品放到离旋转分度台远的位置, 这样可以防止夹爪来回运动时将微尘落入载盘中的合格品上。摆满一盘后拉钩再将载盘推回提篮, 同时取出下一个空载盘, 这样循环直至提篮内的载盘变满。NG载盘为可简单装卸设计, 由人工手动放入空盘和取出满盘。

3.7 视觉系统的设计

视觉系统的基本组成如图2所示。该系统由四台相互独立的CCD摄像头、光源、图像采集卡、图像处理专用程序、主控计算机系统等单元组成。

图像采集单元由光学显微镜、CCD摄像头和高分辨率图像捕捉卡组成。摄像头通过可调节支架安装在相应的工位上, 通过调节光学显微镜的焦距和放大倍数, 可以获得满意的图像;图像捕捉卡安装在电脑主机中。CCD摄像头实现图像的光电转换, 图像捕捉卡最终完成图像处理, 图像处理软件是基于Windows操作系统的应用软件, 具有人机对话、样本生成、图像数字处理、分类及管理全系统的功能。

3.8 控制系统的设计

控制系统包括旋转分度台的间歇转动, 上料、点胶、检测、下料动作的自动完成等, 该系统的总体结构框图如图3所示。

控制系统采用PLC作为控制核心;通过触摸屏输入和修改参数;DD motor控制器控制DD motor的间歇转动的位置和停歇时间;传感器包括数字式压力开关、光电传感器和磁感应开关, 用于实现基座和晶片的存在检测、提篮位置检测、气缸行程检测等;电磁阀用于控制气缸的运动;视觉系统实现基座、晶片的检测和定位以及成品的检测;点胶模块控制器控制点胶模块的点胶时间、点胶量、点胶速度, 实现在基座上自动涂布导电性粘着剂的目的;机械臂控制器和步进电机控制器驱动机械臂和步进电机的运动, 实现将基座和晶片从提篮里拿出到将晶片装载到基座后点胶再把成品放回提篮的各种动作。

4 主要技术指标

全自动点胶机能实现基座供给、晶片供给和成品收纳载盘的自动更换, 根据图像处理进行SMD基座、晶片进行计测, 修正位置, 实现高精度的晶片装载, 全中文人机对话信息操作界面, 设备具有操作直观、高精度、高稳定性。主要技术指标如下: (1) 外形尺寸W1500mm×D1150mm×H1750mm (显示器、信号灯除外) ; (2) 电源AC220V, 50/60Hz, 45A; (3) 适用基座3225~8045; (4) 点胶速度1.5s/个; (5) 压缩空气0.5MPa, 150L/Min; (6) 氮气0.2MPa, 5L/Min。

5 结语

经过生产线的实际应用, 全自动点胶机的外观与国外同类产品相比还有一定的差距, 但可靠性、精度、易用性等均接近或达到国外同类产品的水平。该设备的成功研制与产业化, 将改变我国该类设备长期依赖进口的局面, 促进产业结构调整和升级, 全面提高我国高档次晶体的生产技术水平, 提升我国新型元器件产业的产品竞争力和附加值。

参考文献

[1]诸玲珍.SMD石英晶体生产线建设迎难而上[N].中国电子报 (基础电子周刊) , 2003-06-13 (5) .

石英晶体篇5

2700k Hz石英晶体滤波器主要技术指标见表1。

2滤波器的设计

通过对该产品主要技术指标和结构分析, 属分立式晶体滤波器, 其特点是中心频率低、通带宽度要求严、阻带宽度窄、通带波动范围小、阻带衰减抑制高、中心频率偏差小、端口阻抗阻值低、温度范围宽。

根据该滤波器的特性要求, 首先依赖于满足技术要求的元件的可实现性。窄带晶体滤波器可获得的最大带宽主要决定于晶体谐振器的电容比, 因此带宽受到限制。对于2700k Hz晶体滤波器的实现主要取决于晶体元件的制造技术和滤波器的线路设计。采用不等量参数相同节设计法, 滤波器所获得的相对带宽范围比较大, 从0.3%~1%均采用此方法。针对以上情况试验最后确定该产品采用不等量参数相同节、一臂两晶体三节六极点线路形式, 共12支晶体。

2.1电路的选择

依据滤波器要求的带宽, 需采用相同节不等量参数电路, 即在一节滤波器电路里选用的晶体谐振器的参数不相同, 按照理论设计两种晶体谐振器的参数呈倍数关系, 图1为设计的电路图。

2.2晶体谐振器的设计

由于采用一臂两晶体三节六极点线路形式, 共12支晶体。根据以往的设计经验、主要技术指标、滤波器的结构和体积。选择厚度切变的AT切型, 依据工作温度的要求选择35°05'的切角, 石英晶片选用圆形片尺寸为Φ8.65, 采用2种电极尺寸Φe=3.5mm和Φe=7.0mm

2.2.1方案确定

由于该产品体积小、温度范围宽、频率稳定性要求高, 给制作工作带来了很大的难度, 根据主要技术指标, 结合设计原理、滤波器工作原理、电路设计、结构设计及可靠性设计等方面要求及以往的设计经验, 最终确定的设计方案如下:

a.晶片选用厚度切变的AT切型, 35°05'的切角;

b.采用一臂两晶体三节六极点线路形式, 共12支晶体;

c.合理安排线路布局, 采用电容输入方法, 隔离外部电路的干扰, 控制滤波器衰减幅度。

2.2.2晶体谐振器的频率确定

宽带晶体滤波器来说, 通带带宽于晶体谐振器的等效电感和等效电容有很大关系, 为了获得尽量宽的通带宽度, 要使得晶体谐振器有尽量宽串并联频率间隔和尽量大的等效电容。大的等效电容需增大被银电极直径, 但受矩形系数和阻带衰减的限制, 因此, 在选定的电极直径情况下, 获取尽量大的等效电容和小等效电阻。晶体滤波器的带外寄生不能完全抑制掉, 因此, 要抑制晶体谐振器的寄生。

2700k Hz晶片选用圆形倒边片, 因为圆形片单频性好, 寄生振动少。圆形倒边晶片, 其串并联频率间隔为, 。要获得最大的串并联频率间隔, 需选取合适的滚筒进行倒边, 晶体谐振器的参数见表2。

2.3滤波器调试

调整电容和变量器初级线圈的匝数, 观察网络分析仪显示屏上滤波器的衰减曲线并测试数据, 使特性曲线达到最佳状态。主要质量问题:波动超差、阻带衰减达不到要求。

原因分析:该滤波器高低温波动大于2.5d B, 常温情况下阻带衰减难以达到技术要求。经过实验和对问题的分析, 制定相应的解决方法。

(1) 低频石英晶体元件参数变化引起波动幅值变化。

温度实验时, 通带波动大于2.5d B, 通过分析和实验对晶片的切角及误差, 误差进修正, 修正后的切角为35º05′±1′, 工作温度范围内的频率温度系数≤35ppm, 对晶体谐振器参数进行优选, 在装配时, 选择晶体谐振器等效电容、等效电阻、频率等参数相近的装配。

(2) 滤波器的分布电容控制难度大, 影响阻带衰减。

由于体积的限制, 元件的排线较为拥挤, 分布电容较大, 对滤波器的调试产生较大的影响, 通过合理安排线路布局, 调整滤波器衰减幅度。

(3) 绕制电感线圈采用的是铁氧体环形磁芯, 其温度系数对滤波器特性产生影响。

在差接桥型宽带晶体滤波器中, 影响滤波特性温度稳定性的, 则主要是电感线圈和电容器的温度稳定性, 铁氧体环形磁芯其导磁率随温度变化而发生改变, 通过对铁氧体环形磁芯批次进行筛选, 挑选与晶体谐振器和电容温度系数相匹配的铁氧体环形磁芯, 绕制的电感线圈满足滤波器的温度特性要求。

3滤波器的测试

按照上述设计方案, 通过滤波器的装配、高低温筛选、老化、封装。经测试滤波器符合技术指标要求。其测试结果见表3。

从测试数据可以看出, 测试结果满足技术指标的要求。

通过此次滤波器的设计和制作, 在晶体滤波器的理论上对不等量参数相同节的设计方法有了更深的认识, 在滤波器的调试中, 高低温工作状态是制作中的重点。不等量参数相同节晶体滤波器电路是宽带滤波器较好的设计方法, 对其他频率段也进行了尝试, 获得了满意的结果。

参考文献

[1]冯志礼, 王之兴.晶体滤波器[M].北京:宇航出版社, 1987, P181-184.

[2]Zverev A.L.Hand book of filter synthesis, Wiley, 1967.

[3]周浩中等.带宽晶体滤波器的实现方法[J].压电晶体技术, 1997 (01) .

[4]矫志伟.高频中等带宽滤波器的研制[J].压电晶体技术, 1988 (01) .

石英晶体篇6

依据JJG181-2005《石英晶体频率标准检定规程》, 在环境温度为温度[ (15～30) ±1]℃, 相对温度 (65±15) %, 电源电压220 (1±2%) V的条件下, 采用频率倍增法进行测量。将XSD石英晶体振荡器输出频率和910R铷原子频率标准的标准频率加到P07D频标比对器相应的输入端, 可以直接从P07D上直接读取经频差倍增后的频差值, 也可以用PM6681R铷原子频标频率计测量P07D输出的频差值, 本评定采用直接读取P07D输出的频差值。

2 数学模型

A=As+δ

式中:A——被测高稳定石英晶体振荡器频率值;

As——参考频标的标准值;

δ——被测参考频标频率的误差。

3 标准不确定度分量的评定

3.1 输入量As的标准不确定度u (As) 的评定:

标准不确定度分量u (As) 由以下2个分量合成, 采用B类方法评定。

3.1.1 铷原子频率标准输出频率的不准确引入的不确定度分量u (As1) :

910铷原子频率标准的检定证书给出的频率准确度为5×10-11, 测半区间宽度a=5×10-11, 可以认为在区间内误差是均匀分布的, 取包含因子undefined, 则:

u (As1) =a/k=2.89×10-11

3.1.2 铷原子频率标准输出频率不确定引入的不确定度分量u (As2) :

根据铷原子频率标准技术说明书给出的技术指标, 采样时间为10秒时, 其稳定度为1×10-11, 即半区间宽度a=1×10-11, 包含因子undefined, 则:

undefined,

以上2项彼此独立, 互不相关, 因此:

undefined

3.2 输入量δ引入的标准不确定度分量u (δ) :

标准不确定度u (δ) 主要有以下2个分量合成。

3.2.1 来源于P07D频标比对器的不稳定性引入的不确定度分量:

根据P07D的技术指标, 当闸门10秒时, 其最大相对误差为2×10-13, 即半区间宽度a=2×10-13, 在区间内均匀分布, 包含因子undefined, 则标准不确定度采用B类方法评定:undefined。

3.2.2 来源于被测高稳石英晶体振荡器的测量重复性的不确定度分量u (δ2) :

该不确定度分量采用A类方法评定, XSD高稳晶振输出5MHz, 频差倍增次数为m=2×103, 闸门10秒, 连续测量10次, 得到如下测量列:

平均值为:undefined

单次测量标准差undefined

u (δ2) =s/mf0=0.76×10-5/5×103×2×103=7.6×10-12

输入量δ的各分项δ1与δ2彼此独立不相关, 因此输入量的标准不确定度:

undefined

4 标准不确定度分量一览表

5 合成标准不确定度的评定

输入量As与δ彼此独立、互不相关, 所以合成标准不确定度可按下式得到:

undefined

6 扩展不确定度的评定

取k=2, 其扩展不确定度为:

urel=2×3×10-11=6×10-11

7 测量不确定度的报告与表示

高稳定石英晶体振荡器频率测量结果扩展不确定度为:

urel=6×10-11, k=2

8 结束语

本文通过对高稳定石英晶体振荡器频率测量不确定度进行评定分析, 对其测量结果的处理和表示起到指导作用, 在符合上述各种条件下的测量结果, 一般可直接使用本不确定度的评定结果。

摘要：本文通过铷原子频率标准在实际检定/校准过程中得出的数据, 对高稳定石英晶体振荡器频率测量不确定度进行评定分析, 对其测量结果的处理和表示起到指导作用。

石英晶体篇7

关键词：石英晶体谐振器,晶片腐蚀,谐振电阻,腐蚀方法

石英晶片在切割、研磨过程中会产生一定的破坏层, 其会加大晶体谐振器振动能量的损耗, 从而导致晶体谐振电阻增大。制成石英谐振器后, 还会由于石英碎屑的脱落, 导致频率漂移或电极不牢等问题, 因此, 石英晶片必须进行腐蚀, 以清除破坏层, 改善晶片表面状态, 进而大大降低谐振器电阻和老化率, 提高晶体谐振器生产的合格率。

1 腐蚀方法及其原理

晶片的腐蚀主要有两种方法, (1) 化学腐蚀, 即利用Si O2能溶于氢氟酸或氟化铵溶液的原理, 使用氢氟酸或氟化铵配制成一定浓度的溶液进行腐蚀, 从而达到去除表面破坏层的目的; (2) 等离子体腐蚀, 即在等离子体中氟原子与石英晶片表面反应, 生成气态的氟化硅, 从而起到消除晶片表面机械损伤的作用。

虽然等离子体腐蚀能够很好地控制腐蚀后的频率一致性, 但是由于等离子体腐蚀速率非常低, 因此在实际生产中多采用化学腐蚀的方法。氢氟酸对石英晶体腐蚀能力较强, 浓度越高, 腐蚀速度越快, 腐蚀后的晶片表面越粗糙, 氟化铵饱和溶液腐蚀速率较慢, 所以在实际生产中一般需要加热到50℃左右, 以提高腐蚀速率。

2 腐蚀量的计算

研磨过程中, 产生的破坏层的厚度一般为几到几十微米, 将破坏层去除后, 晶片频率会随之上升, 对于AT切晶片, 可以近似利用下列公式进行腐蚀频率计算:

式 (1) 中:△f为腐蚀后的频率变化, k Hz;△t为腐蚀前后晶片厚度变化, mm;f为晶片基波频率, MHz。

一般来说, 石英晶片两面的腐蚀量为最后一道研磨砂粒径的2倍, 此时石英晶片表面的破坏层可以基本上消除。

3 影响腐蚀的主要因素

3.1 腐蚀时间

当腐蚀液浓度和温度一定时, 腐蚀速率与腐蚀时间不是完全的线性关系。在腐蚀开始阶段, 腐蚀速率与腐蚀时间基本上呈线性关系;当腐蚀到到一定程度时, 即石英晶片表面的破坏层基本上消除后, 腐蚀速率开始变慢;如果长时间腐蚀, 反而会破坏晶格结构, 产生云状白斑, 使得晶片表面变得更加粗糙, 进而会增大晶体谐振器的谐振电阻, 并且晶片表面粗糙后还会影响晶体谐振器的老化率。因此, 在实际的生产过程中, 可以通过实验做出腐蚀时间与腐蚀速率的关系图。当腐蚀速率开始变慢时, 就要停止腐蚀, 此时的腐蚀时间即为最佳的腐蚀时间, 此腐蚀时间既可以消除晶片表面破坏层, 又不影响晶体谐振器的电阻等参数。

3.2 腐蚀温度

当腐蚀液浓度一定时, 腐蚀液温度越高, 则腐蚀速率越快。当采用氟化铵饱和溶液作为腐蚀液的时候, 一般将腐蚀液加热到50℃左右, 这样可以提高腐蚀速率。在实际生产中, 为了保证大批量晶片腐蚀后频率的一致性, 要将腐蚀液放入恒温槽中, 用以保证腐蚀液温度的稳定性。

3.3 腐蚀液浓度

腐蚀液浓度的大小直接影响腐蚀速率, 腐蚀液浓度越大, 腐蚀速率越快。当采用氢氟酸进行腐蚀时, 由于其对人身体具有一定的危害, 因此浓度不宜过高。在实际生产中, 一般使用的是质量分数为40%的氢氟酸试剂与去离子水按照1∶5的比例配制而成的腐蚀液。在实际的生产过程中, 由于腐蚀液的有效浓度随着生产逐渐降低, 因此, 生产时要定期更换腐蚀液, 以保证腐蚀的一致性。

4 腐蚀过程中的注意事项

在腐蚀前要将晶片清洗干净, 一般使用铬酸进行清洗2遍, 然后用去离子水放入超声波中进行超洗, 最后使用无水乙醇进行脱水、烘干, 清洗完毕后对晶片频率进行分选。分选后将同一档的晶片装入同一清洗夹具中, 这样可以避免腐蚀时由于相互叠压导致晶片叠压面不能有效去除破坏层, 而非叠压面腐蚀量过大, 进而保证晶片两面均匀的腐蚀。晶片在腐蚀时, 频率会随之发生变化, 晶片频率越高, 频率的变化率也越快, 因此在晶片的腐蚀过程中, 要时刻监视频率的变化, 而且在腐蚀过程中要不断上下晃动腐蚀夹具, 以保证腐蚀的均匀性。腐蚀后立即将去离子水放入超声波中超洗两遍, 腐蚀频率达到要求后转入下道工序。

5 腐蚀对晶体参数的影响

晶片经过腐蚀工序后, 大部分破坏层被去除, 大大降低了晶体谐振器的谐振电阻率和老化率。表1为不同频率的晶体谐振器采用腐蚀和未进行腐蚀电阻率对比。

从上表可以看出, 经过腐蚀后不同频率点的电阻均出现明显的下降, 因此, 腐蚀工序对于降低晶体谐振器电阻率是十分重要的。

同样, 采用腐蚀后生产的晶体谐振器对晶体老化合格率也会有很大的提高, 以恒温38.88M (3rd) 晶体谐振器来说, 采用腐蚀工艺后生产的晶体, 老化合格率较未采用腐蚀工艺生产的晶体高5%~10%, 因此, 腐蚀工艺对于提高晶体谐振器的老化水平是十分必要的。

6 结束语

腐蚀工序是晶体谐振器生产的一道重要工序, 其可以有效去除研磨导致的破坏层, 因此对晶体谐振器的参数尤其是谐振电阻率和老化率有重要的影响。在实际生产过程中, 可根据各种腐蚀试验确定最佳的腐蚀参数, 以提高谐振器的参数性能指标。

参考文献

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