梳状金属膜的AT切温补晶振的制作方法

梳状金属膜的at切温补晶振
技术领域
1.本发明涉及一种石英晶体谐振器，特别是一种梳状金属膜的at切温补晶振
技术背景
2.石英晶体谐振器是现代电子通信信息系统中频率基准源的核心元器件，随着航空、航天、电子、通信和机械等领域中相关技术的发展，对石英晶体谐振器的精度要求越来越高。提高石英晶体谐振器频率的稳定性，己经成为一个重要的问题。
3.石英晶振的温度-频率特性会使得其在工作温度发生变化时谐振频率也会发生变化，其温度-频率特性主要与石英晶体的切型有关，常见的切型有at切、bt切以及sc切等，其中at切石英晶振的谐振频率与温度的关系为三次函数关系，因此其具有零温度系数点且零温度系数点落在环境温度的范围之内，优良的频温特性使得at切成为当前应用最为广泛的切型之一。
4.虽然温度使得晶振的谐振频率发生改变的现象不可以避免，但是我们可以通过一些措施来补偿温度变化所产生的频差，从而提高石英晶振的频率稳定性。现有的晶振温度补偿技术主要包括两种：第一种是根据石英晶振的频率-温度特性，采用线路处理的方法进行补偿，例如采用模拟、数字或者微机等进行处理，产生对石英晶振的补偿电压来补偿频率的变化；第二种是通过恒温装置使得石英晶振的工作温度保持在一个恒定值。通过外加控制电压进行调节的方式虽然精度高、温补效果好，但是这种方式制造复杂成本高，而且受一些电子元件体积的影响不利于晶振的小型化发展趋势，不足以满足当前科技发展特别是手机等移动通讯领域的需要。并且这种温补技术基本上只应用于基频石英晶振而不是泛音石英晶振，其原因是基频石英晶振的可拉动性好，但是稳定性和老化特性比较差；泛音石英晶振的稳定性和老化特性优于基频石英晶振，但是这种温补技术很难实现泛音石英晶振的较宽频率范围的拉动，难以解决泛音石英晶振的温补技术难题。采用恒温装置如恒温槽能够使得石英晶振的工作温度保持恒定，但是这种方式的成本高、体积大和功耗高，一般只运用于特定的场合。
5.石英晶振在受到应力作用时，会使得其谐振频率发生改变，这一特性被称为石英晶振的力-频特性，下面为石英晶振的频率变化同其所受应力变化的关系式：
6.或者
7.式中：l为石英晶振的长度；f0为石英晶振的谐振频率；f为石英晶振所受到的力；kf为石英晶振的力-频系数。
8.目前也有一些基于金属膜工作温度发生变化时金属的热胀冷缩会对晶振施加一个应力，利用石英晶振的力频特性对温频特性进行补偿。根据晶体的力频特性，当对石英晶振x轴方向施加压力作用时，会使晶体的频率被抬升，向上偏离谐振频率；当对中心电极的x轴方向施加拉力时，会使晶体的频率被拉低，向下频移谐振频率；并且当这个作用力越大时，造成的频率偏移量越大，力的大小和频率偏移量成正比关系；因此，当温度升高时，由于
金属膜的热膨胀系数比石英材料的大，所以此时金属膜的膨胀幅度要比石英晶振的大，同理当温度降低时，补偿膜的收缩幅度大于石英晶振的幅度。从而能够抵消掉一部分工作温度变化石英晶振谐振频率变化量。
9.一种采用条形补偿膜应力补偿的晶体谐振器(申请号：202010238766.9)就是利用上述方法基于金属膜利用石英晶振的力频特性进行温度补偿，具有结构相对简单，体积小、功耗低和成本低等优点，但是由于其补偿条放置在电极的上面并与电极接触，不仅会使得工作温度变化时金属膜在x向产生应力的同时，在z向也产生一个比较大的应力，从而导致一些寄生模态的出现；而且还会增加了电极区域的整体质量，造成了更加严重的负载效应，从而会对晶振的性能造成影响。


技术实现要素：

10.本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种梳状金属膜的at切温补晶振。
11.本发明的目的是对石英晶振的温度补偿方法进行创新，通过梳状金属膜利用石英晶振的力频特性补偿由于温度变化时其所产生的频差，有利于石英晶振向小型化的方向发展。
12.本发明石英晶振的温度补偿方法进行创新，提出了一种梳状金属膜的at切温补晶振。基于金属膜在温度发生变化时所产生的应力调节晶振在温度发生变化时所产生的频差，利用晶振的工作频率随施加在其上应力的大小和方向而变化的特点，去补偿温度对晶振工作频率变化的影响，同时采用多根矩形金属条能够使得所产生的热应力施加在x方向上，能够有效的降低工作温度变化所造成谐振频率的变化，从而提高晶振的频率稳定性。
13.梳状金属膜的温补晶振，包括石英晶片1，其特征在于：所述的石英晶片1为长方体，石英晶片1的上下表面呈矩形，并在上表面有两个矩形凸台；在石英晶片1的上、下表面分别镀有中心电极2，中心电极2的一角有延伸层3，延伸层3的末端连接胶点5，胶点5是中心电极2的引出端；将石英晶片1的上表面的纵轴方向设为x轴，横轴方向设为z轴，将垂直于石英晶片1的上表面且经过所述的x轴和z轴的交点的方向设为y轴；上、下表面的中心电极2在y轴方向的投影重合，上、下表面的中心电极2的延伸层3分别偏向x轴的两侧；梳状金属膜4沿x轴设置，梳状金属膜4的两端分别放置在石英晶片1的上表面的两个矩形凸台上，梳状金属膜4与中心电极2脱离；梳状金属膜4由多根金属条等间距排列构成，多根金属条关于y轴对称布置，且金属条的长度方向与矩形石英晶片的x轴方向一致且中点应在z轴上；所述的金属条的材料的热膨胀系数大于石英晶片1的热膨胀系数。
14.优选地，所述的金属条的横截面选用矩形。
15.进一步，所述的金属条的横截面的矩形，其z轴方向的边长小于x轴方向的边长。
16.根据晶体的力频特性可知当梳状金属膜在x轴方向施加压力的作用时，晶振的谐振频率会上升，高于预先设计的谐振频率；当金属条在x轴方向施加拉力时，晶振的谐振频率会下降，低于预先设计的谐振频率。并且与预先设计的谐振频率偏移量的大小与所施加力的大小有关，当拉力(压力)越大时，所导致的偏移量也就越大，偏移量的大小与所施加的力呈一次函数关系。因此，当晶振的工作温度上升时，由于金属条材料的热膨胀系数大于矩形石英晶片的热膨胀系数，所以梳状金属膜的膨胀程度大于矩形石英晶片，能够对其施加一个拉力，从而抵消一部分由于温度上升使得晶振频率下降量。同理当工作温度下降时，梳
状金属膜的收缩程度大于矩形石英晶片，能够对其施加一个压力，从而抵消一部分由于温度下降使得晶振频率上升量。从而实现当温度发生变化时，梳状金属膜产生相应的变形实现晶振自身随温度变化所导致的频率偏差补偿。
17.本发明所采用金属条在z方向尺寸很小，从而使得所产生的应力能够集中施加在x向，然而单根金属丝所产生的应力在x向不足以使得温度补偿达到最佳效果，故采用多根金属丝组成的梳状金属丝结构以达到最佳效果；
18.在石英晶片的上表面设置有凸台用于梳状金属丝同石英晶片的连接，从而避免了中心电极与梳状金属丝的接触，不会增加中心电极区域的负加质量。
19.本发明的优点是：本发明在传统的石英晶体谐振器的上表面增设梳状金属膜，当温度发生改变时，由于梳状金属膜与石英晶体的热膨胀系数不同，所以膨胀冷缩的程度也不同，这时两者相接触的地方就会产生一个相互挤压的作用力，而且工作温度变化的越大，所产生的热应力也越大，这样就能够运用矩形石英晶片的力频特性去补偿由于温度所造成的频率变化量。梳状金属膜材料的热膨胀系数大于矩形石英晶片，且梳状金属膜4不与中心电极2相接触。因为晶振的厚度剪切振动主要集中在电极区域，这一区域也决定了谐振频率的大小。避免同电极区域的接触，没有增加电极区域的整体质量，不会增加这一区域的负载效应。且采用梳状结构能够减小补偿条施加在z方向上的力，从而降低对晶振工作模态的影响或者避免出现其它的寄生模态。
附图说明：
20.图1为梳状金属膜温补晶振的结构示意图；
21.图2为at切晶振的频率随温度变化曲线；
22.图3为石英晶振应力-频率特性曲线；
23.图4为补偿后的温度-频率特性曲线。
具体实施方式
24.下面结合附图，进一步说明本发明的技术方案。
25.如图1所示，一种梳状金属膜的at温补晶振主要包括1-石英晶片，所述的石英晶片为长方体，且上下表面都呈矩形，上表面(放置梳状金属膜)有两个矩形凸台；在矩形石英晶片的上、下表面分别镀有中心电极2，中心电极2的一角有延伸层3，延伸层3的末端连接胶点5，胶点5是中心电极2的引出端；将石英晶片1的上表面的纵轴方向设为x轴，横轴方向设为z轴，将垂直于石英晶片1的上表面且经过所述的x轴和z轴的交点的方向设为y轴；上、下表面的中心电极2在y轴方向的投影重合，上、下表面的中心电极2的延伸层3分别偏向x轴的两侧；梳状金属膜4沿x轴设置，梳状金属膜4的两端放置在石英晶片1的上表面的两个凸台上，梳状金属膜4与中心电极2脱离。梳状金属膜4由多根横截面呈矩形的金属条等间距排列构成，且多根金属条关于y轴对称布置，金属条的长度方向与矩形石英晶片的x轴方向一致且中点应在z轴上。
26.石英晶片的反面也镀有电极，正面的电极和反面的电极延伸方向不同，各自延伸到各自电极的点胶位置上。
27.为了方便说明接下来的例子，我们假设梳状金属膜的材料为银，同时对石英晶振
的长度a，厚度b,宽度c；矩形金属条的宽度d,厚度e；以及石英材料和银材料的材料属性作如下说明：
28.a＝2mm；b＝0.1mm；c＝0.1mm；d＝0.02mm；e＝0.0002mm
29.银材料：
30.弹性模量：e＝7.32
×
10
10
n/m；
31.热膨胀系数：α＝7.32
×
10-5
/℃
32.石英晶体材料：
33.弹性系数矩阵：
[0034][0035]
热膨胀系数：1.371
×
10-5
/℃
[0036]
力-频系数kf：20
×
10-8
[0037]
当梳状金属膜温补晶振的工作温度发生改变时，其产生的热应力大小为
[0038][0039]
其中：α1为石英晶体的热膨胀系数；α2为矩形金属条的热膨胀系数；a1为石英晶片的截面面积；a2为矩形金属条的截面面积；e1为石英晶体的弹性模量；e2为矩形金属条的弹性模量；t为实际的温度；t0为初始的温度。
[0040]
从上式中也可以看出所产生的热应力大小会随着温度变化量增大而变大。
[0041]
所以施加在矩形石英晶体板x轴方向上的力大小应该为：
[0042]
f＝nσa2＝-1.84
×
10-6
n(t-t0)
[0043]
其中n为矩形金属条的个数。
[0044]
其晶振的工作频率计算如下：
[0045][0046]
at切晶振的频率随力改变的大小为：
[0047][0048]
其中kf为力-频系数，f为晶振的工作频率，a为矩形石英晶片的长度。
[0049]
当力频特性斜线的斜率为-0.3时，温度补偿效果最佳，因此有：
[0050][0051]
因此采用十根矩形金属条，则
[0052][0053]
也即十根应力金属条在每上升(下降)1℃会使得晶振的谐振频率下降(上升)0.3ppm，如图3所示。
[0054]
应力补偿完成后的频率随温度变化曲线如图4所示，其频差在8ppm之内。
[0055]
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式，本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。