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        小型BVA石英諧振器的研制

        2018-05-10 08:41:24王作羽睢建平劉小光哈斯圖亞李國強
        宇航計測技術(shù) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:導(dǎo)電膠諧振器晶片

        崔 巍 王作羽 睢建平 劉小光 王 莉 張 磊 哈斯圖亞 李國強

        (北京無線電計量測試研究所,北京 100039)

        1 引 言

        BVA(Besson Vieillissement Amelioré)石英諧振器由于其無接觸電極和低應(yīng)力安裝結(jié)構(gòu),具有良好的Q值和老化特性[1-3],我們所在2010年研制出采用三次泛音SC切晶片的5MHz BVA石英諧振器,基于該諧振器制作的振蕩器在短期頻率穩(wěn)定度、長期頻率老化和頻率-溫度穩(wěn)定性方面的性能均達到較高水平,日漂移指標(biāo)達到2×10-12,短期頻率穩(wěn)定性指標(biāo)達到1×10-13/s,相位噪聲達到-120dBc@1Hz,可用于低老化、長壽命頻率源。但當(dāng)時研制的BVA石英諧振器尺寸較大,達到Φ36mm×16mm,重量較大,而且結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜,工藝難度大,抗振可靠性不高,只能承受5grms的隨機振動,限制了其推廣和應(yīng)用。為拓寬BVA石英諧振器的應(yīng)用領(lǐng)域,開展了小型化、高可靠BVA石英諧振器的研制。

        2 整體方案

        針對上一代BVA石英諧振器存在的問題,研制新型BVA石英諧振器,減小外形尺寸、提高性能,滿足超穩(wěn)晶振在相噪、短穩(wěn)、老化和抗振性方面的需求。整體研制方案為:以SC切厚度剪切振動模式為基礎(chǔ),重新設(shè)計非接觸電極、振子安裝結(jié)構(gòu),并全面提升可靠性,同時優(yōu)化BVA石英諧振器制作方法,最終實現(xiàn)減小BVA石英諧振器的尺寸和重量,降低工藝加工難度,提高穩(wěn)定性和一致性。研制的小型BVA石英諧振器通過測試和典型環(huán)境試驗驗證,進行性能和可靠性檢測,同時,基于小型BVA石英諧振器制作晶體振蕩器進行性能測試,驗證小型BVA石英諧振器的各項性能指標(biāo)[4]。

        3 產(chǎn)品設(shè)計

        3.1 整體設(shè)計

        為了保持優(yōu)越的性能,采用SC切厚度剪切振動模式的晶片,SC切型晶片具有應(yīng)力補償和熱瞬變補償特性,應(yīng)力效應(yīng)引起的應(yīng)變弛豫老化小,老化特性好,窄溫度頻率溫度特性好,Q值高,內(nèi)部損耗小,幅頻效應(yīng)小[5]。綜合考慮性能和可靠性,采用三次泛音設(shè)計,針對晶振工作溫度,設(shè)計拐點溫度85℃±2℃,參考傳統(tǒng)高精密晶體并結(jié)合試驗設(shè)計合適的切角[6]。

        為了保證抗振可靠性,采用臥式安裝結(jié)構(gòu)[7],為了保持優(yōu)良的真空諧振環(huán)境,降低電阻,提高Q值,采用冷壓焊真空封裝,考慮到封裝尺寸的通用性,采用HC-40/U殼座。

        3.2 非接觸電極設(shè)計

        BVA石英諧振器的核心是非接觸電極的設(shè)計,即電極并不鍍在石英晶片上,而是鍍在上下電容片上,上下電容片采用異型結(jié)構(gòu),中心電極區(qū)相對支撐區(qū)凹陷(10~20)μm,晶片裝配在電容片中間,電極與石英晶片之間有微小的空隙,形成電極懸離結(jié)構(gòu),既能起到施加電場的作用,同時避免了電極應(yīng)力和吸附效應(yīng)帶來的頻率老化[8]。

        BVA石英諧振器的上下電容片如圖1所示,在新的電容片設(shè)計中,為了減小尺寸,將支撐環(huán)去除,直接在電容片上加工出定位槽,將石英晶片的支撐點直接安裝在電容片的定位槽中,通過定位槽將石英晶片精確固定在電容片中間,形成電極懸離結(jié)構(gòu)。

        圖1 非接觸電極示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrodeless structure

        3.3 振子安裝結(jié)構(gòu)設(shè)計

        傳統(tǒng)BVA石英諧振器安裝結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示,采用夾子將上下電容片和晶片固定在一起,并用彈簧片支撐固定在底座上。在電容器上加工過孔,通過金屬絲將電極連接到基座的引腳上,這種安裝結(jié)構(gòu)復(fù)雜,裝配難度大,裝配一致性差,抗振可靠性不高。為了將安裝結(jié)構(gòu)小型化,并提高抗振可靠性,新的BVA石英諧振器不采用額外的夾子固定,而是采用導(dǎo)電膠對上下電容片進行粘接,中間石英諧振片不直接接觸導(dǎo)電膠,靠上下電容片固定中間的石英諧振片,并整體固定在基座上,同時導(dǎo)電膠可以將電極直接與基座引腳連接,不需要額外裝配金屬絲,簡化了裝配工藝,如圖2(b)所示,進一步減小整個安裝結(jié)構(gòu)的尺寸,提高裝配一致性,最終將BVA石英諧振器整體結(jié)構(gòu)縮小至HC-40/U殼座中形成小型化的BVA石英諧振器。

        3.4 可靠性設(shè)計

        為了提高可靠性,將石英晶片和電容片直徑減小,在保證抗振可靠性的同時將電容片厚度適當(dāng)減薄,以減小整個諧振器的重量和體積。同時采用導(dǎo)電膠固定振子,導(dǎo)電膠的材料和涂敷工藝是影響可靠性的重要因素,材料方面選用高強度、低應(yīng)力、低揮發(fā)的導(dǎo)電膠,涂敷工藝上,涂敷量和涂敷位置是要綜合考慮的因素,在保證可靠性的同時,盡量少的涂敷導(dǎo)電膠,以減小導(dǎo)電膠揮發(fā)和應(yīng)力釋放帶來的頻率老化。

        圖2 BVA石英諧振器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of BVA quartz resonator

        4 測試結(jié)果

        研制出的小型化BVA石英諧振器如圖3所示,外形尺寸為Φ21mm×12mm,相比上一代BVA石英諧振器Φ35mm×16mm的外形尺寸得到明顯減小。

        圖3 小型BVA石英諧振器照片F(xiàn)ig.3 Photo of small BVA quartz resonator

        4.1 BVA石英諧振器電性能測試

        BVA石英諧振器測試結(jié)果見表1,其中各項參數(shù)均為拐點溫度下測試結(jié)果,從測試結(jié)果來看,產(chǎn)品的電阻、Q值、拐點等性能較好。典型頻溫特性曲線如圖4所示。

        表1 BVA石英諧振器電性能測試結(jié)果Tab.1 Performance of small BVA quartz resonators

        4.2 振動試驗

        圖4 典型頻溫特性曲線Fig.4 Typical frequency-temperature characteristic curve

        為了考核小型BVA石英諧振器的振動可靠性,進行了隨機振動試驗,振動試驗條件如圖5所示,振動量級為15grms,試驗前后進行測試,產(chǎn)品各項性能指標(biāo)穩(wěn)定。

        圖5 振動試驗條件Fig.5 Conditions of vibration test

        4.3 BVA晶體振蕩器性能測試

        將BVA石英諧振器裝配在恒溫晶振中,組成BVA晶體振蕩器,進行了相噪、老化、短穩(wěn)等指標(biāo)的測試。相噪測試結(jié)果如圖6所示,指標(biāo)達到-123dBc/Hz@1Hz。老化曲線如圖7所示,日老化指標(biāo)達到9×10-12。短穩(wěn)測試結(jié)果如圖8所示,秒穩(wěn)指標(biāo)達到3.3×10-13。

        圖6 相噪測試結(jié)果Fig.6 Phase noise test result

        圖7 老化測試數(shù)據(jù)Fig.7 Aging test data

        圖8 短穩(wěn)測試結(jié)果Fig.8 Short-term stability test result

        5 結(jié)束語

        在傳統(tǒng)BVA石英諧振器研制的基礎(chǔ)上,通過優(yōu)化非接觸電極設(shè)計、振子安裝結(jié)構(gòu),在小型化設(shè)計的同時提升可靠性設(shè)計,將小型BVA石英諧振器的尺寸由Φ36mm×16mm減小至Φ21mm×11mm,抗振性由原來的隨機振動5grms提升到15grms。經(jīng)過諧振器測試和振蕩器測試,其主要性能指標(biāo)與傳統(tǒng)BVA石英諧振器相當(dāng),但由于體積減小,結(jié)構(gòu)抗振性提高,具有較高的抗振可靠性,可以用于空間飛行器等惡劣環(huán)境中的整機中,提高整機的性能和可靠性。

        [1]Jerry R Norton.BVA-Type Quartz Oscillator for Spacecraft.Proc.45th Annual Symp Freq Control[C].1991:426-430.

        [2]Jerry R Norton,Raymond J BESSON.Tractical BVA Quartz Resonator Performance.1993 IEEE International Frequency Control Symposium[C].1993:609-613.

        [3]Raymond J,BESSON,Jean-Jacques BOY and Marc M.Mourey.BVA resonators and oscillators:a review relation with space requirements and quartz material characterization.1995 IEEE International Frequency Control Symposium[C].1995:590-599.

        [4]趙聲衡.石英晶體振蕩器[M].長沙:湖南大學(xué)出版社,1997.

        [5]V.E.Bottom,潘景程.石英晶體元件設(shè)計導(dǎo)論[M].宇航出版社,1987.

        [6]秦自楷.壓電石英晶體[M].國防工業(yè)出版社,1980.

        [7]Raymond L.Flller,John R.Vig,李自忠.四點安裝的 SC切和AT切諧振器的加速度和加熱特性[J].宇航計測技術(shù).1983,S1:57-62.

        [8]徐瑞華.5MHz空氣隙石英諧振器的研制[J].宇航計測技術(shù),1990,3:69-74.

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