小型BVA石英諧振器的研制

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力安裝結構，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定度、長期頻率老化和頻率-溫度穩定性方面的性能均達到較高水平，日漂移指標達到2×10-12，短期頻率穩定性指標達到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，而且結構過于復雜，工藝難度大，抗振可靠性不高，只能承受5grms的隨機振動，限制了其推廣和應用。為拓寬BVA石英諧振器的應用領域，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，滿足超穩晶振在相噪、短穩、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，重新設計非接觸電極、振子安裝結構，并全面提升可靠性，同時優化BVA石英諧振器制作方法，最終實現減小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［4］。

3 產品設計

3.1 整體設計

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

為了保證抗振可靠性，采用臥式安裝結構［7］，為了保持優良的真空諧振環境，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 非接觸電極設計

BVA石英諧振器的核心是非接觸電極的設計，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構，中心電極區相對支撐區凹陷（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，形成電極懸離結構，既能起到施加電場的作用，同時避免了電極應力和吸附效應帶來的頻率老化［8］。

BVA石英諧振器的上下電容片如圖1所示，在新的電容片設計中，為了減小尺寸，將支撐環去除，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，形成電極懸離結構。

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

3.3 振子安裝結構設計

傳統BVA石英諧振器安裝結構如圖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，這種安裝結構復雜，裝配難度大，裝配一致性差，抗振可靠性不高。為了將安裝結構小型化，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構的尺寸，提高裝配一致性，最終將BVA石英諧振器整體結構縮小至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減薄，以減小整個諧振器的重量和體積。同時采用導電膠固定振子，導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、低應力、低揮發的導電膠，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，盡量少的涂敷導電膠，以減小導電膠揮發和應力釋放帶來的頻率老化。

圖2 BVA石英諧振器結構示意圖Fig.2 Structure diagram of BVA quartz resonator

4 測試結果

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Fig.3 Photo of small BVA quartz resonator

4.1 BVA石英諧振器電性能測試

BVA石英諧振器測試結果見表1，其中各項參數均為拐點溫度下測試結果，從測試結果來看，產品的電阻、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，產品各項性能指標穩定。

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、短穩等指標的測試。相噪測試結果如圖6所示，指標達到-123dBc/Hz@1Hz。老化曲線如圖7所示，日老化指標達到9×10-12。短穩測試結果如圖8所示，秒穩指標達到3．3×10-13。

圖6 相噪測試結果Fig.6 Phase noise test result

圖7 老化測試數據Fig.7 Aging test data

圖8 短穩測試結果Fig.8 Short-term stability test result

5 結束語

在傳統BVA石英諧振器研制的基礎上，通過優化非接觸電極設計、振子安裝結構，在小型化設計的同時提升可靠性設計，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。經過諧振器測試和振蕩器測試，其主要性能指標與傳統BVA石英諧振器相當，但由于體積減小，結構抗振性提高，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：湖南大學出版社,1997．

［5］V．E．Bottom，潘景程．石英晶體元件設計導論［M］．宇航出版社，1987．

［6］秦自楷．壓電石英晶體［M］．國防工業出版社,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．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，1990,3：69-74．