抗高過載石英晶體元件的研制

呂培青，張輝

（陜西華星電子集團公司陜西咸陽712099）

科學技術的水平不斷提高，電子產品也朝著智能化發展。隨著石英晶體元件在電子產品中應用范圍越來越廣，對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品的科學技術推動下，其在電子設備信號源中起著關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）在飛機導航、制導等有高沖擊要求的環境中使用的晶體元件，美國、俄羅斯等國家發展較早，在此之前此類產品重要依靠進口，這樣不僅使整機的生產周期加長，在有的時候還會出現無法采購，造成整機生產停滯，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年居里兄弟發現，在石英晶體的特定方向上施加壓力或拉力會使石英晶體表面出現電荷，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，從此便開始了壓電學的歷史[1]。石英晶體受到外力作用時，在它某些表面上產生電荷即為石英晶體的壓電效應。當晶體表面受到電場作用時它的某些方向發生形變，這種現象叫做石英晶體的逆壓電效應。石英晶體元件就是利用石英晶體的逆壓電相應制成的元件。而石英晶體在切割方位、幾何尺寸、電極位置的不同，產生不同的振動模式，它的諧振頻率等電氣參數及溫度特性各不相同，而該產品為了給在高沖擊的環境下器件提供穩定的基準信號源，要求有很強的抗過載能力，還要具有高穩定性、高可靠性，在強沖擊力下保證其能夠正常工作。鑒于上述原因，我們在產品內部結構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，適應抗強過載能力并具有高可靠性的特點。

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為晶體的動態電阻，它反映了振動時機械損耗的大小[2]。由于用厚度振動模式制作的石英晶體元件具有良好的穩定性和溫度系數小，同時具有加工工藝復雜系數小的特點。本次石英晶體元件的晶片采用的是厚度振動膜式。厚度切變振動的一般頻率方程為：

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

如果直徑遠遠大于厚度，則上式可近似為：

由于生產晶體材料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域的振動最強。距離電極區越遠振動越弱。晶片的尺寸越大，邊緣振動越弱。安裝時晶片振動的能量損失越小，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定的工作，因此石英晶體元件的設計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，在實際設計中盡量選擇平凸片。

AT切晶體的振動為厚度切變，諧振頻率的高低與晶體的厚度有關，晶片的設計主要有：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引系統以及飛機導航中使用。所以要考慮抗沖擊的能力，根據結構的支架設計和封裝形式晶片外形采用圓形設計來實現（直徑選取φ8.65、φ6.50）。

1.2 結構

在實際應用中，不可避免的要工作在高加速度環境中，在惡劣的工作環境中，石英晶體元件頻率的隨加速度的變化而產生漂移，這是由于工作環境的加速度使晶片的機械振動發生改變，從而使頻率發生漂移，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，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構設計中，采取減振方案，使外界的加速度不能有效的傳遞到晶片上，事實上，完全減掉外界加速度是不能做到的，做一個合理的設計可以極大的減小從外界傳到晶片上的加速度。

為了能夠達到抗高過載的能力，便于固定晶片選用圓形，這樣在沖擊的瞬間化解沖擊強度。采用彈性良好的材料作為緩解沖擊力并起到保護晶片作用的托架，托架與晶片之間用彈性材料進行填充，這樣的結構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。結構示意圖如圖2。

圖2 結構示意圖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）為保證鍍膜質量，鍍膜錢待鍍電極晶片一定要嚴格清洗和烘烤，以消除殘余應力，除去水份[5]；

2）微調后做快速老練處理；

3）填充彈性材料；

4）封裝。

1.5 石英晶體元件的測試與試驗

1）按GJB2138-94《石英晶體元件總規范》中要求對石英晶體元件進行振動、溫度沖擊、高溫壽命等環境試驗[6]；

2）測試合格的產品，進行單方向一次沖擊（根據要求不同1 000～20 000 g），外殼略有些變形，可正常工作；

3）下面是部分參數測試記錄及與國外同類產品性能對比見表1、表2、表3。

表1 進口產品測試記錄Tab.1 Im ported product testing records

表2 測試記錄Tab.2 Test records

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

表中，f為諧振頻率，顯示的數據是該溫度下的頻率值與標稱頻率的差值；R為該溫度下的等效電阻值。

通過試驗及廠家在整機的使用和抗高過載試驗驗證，我們研制的這個結構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工作，通過一個點的研制生產擴展到一個頻率段的批量生產，形成了一套較為成熟的設計文件和工藝文件，其產品已應用到多種領域。由于該類產品具有頻率穩定性好、體積小、工作溫度范圍寬、抗沖擊范圍寬及環境適應性強等特點，可應用于機載導航系統、無人機航空導航、高速火車通訊系統等領域。由于該產品的特殊要求，工藝還不過現今在批量生產中的通過率還很低，滿足大規模生產的需要是我們今后提高的目標。

[1] 裴先茹，高海榮.壓電材料的研究和應用現狀[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計與制造[J].壓電晶體技術，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：山東科學技術出版社，1997.

[4] 陳志遠，王榮彬.石英諧振器及應用[M].北京：國防工業出版社，1987.

[5] 林勇，陳樺.石英晶體諧振器生產工藝流程綜述[J].電訊技術，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.石英晶體元件總規范[M].北京：國防科工委軍標出版，1994.