专利名称：基于金属薄膜的应力补偿的温度补偿晶体谐振器的利记博彩app
技术领域：
本实用新型涉及一种晶体谐振器，具体是一种基于温度传感材料 应力补偿晶体温度频率特性的晶体谐振器。
背景技术：
晶体谐振器已被广泛应用于通信、邮电、航空航天、国防军工、 电子技术和仪器仪表等技术领域。主要用作这些方面的众多设备的时 钟或标准频率源。随着科技的不断进步，人们对晶体谐振器的频率一 温度特性及体积、功耗、成本的要求越来越高。现有的温度补偿晶体 谐振器的频率_温度补偿方法几乎全是根据晶体器件的频率-温度 特性，用线路处理的方法进行补偿，即用模拟、数字或者微机进行处 理，产生对晶体谐振器的补偿电压来补偿频率的变化。 一般情况下，
用模拟补偿的方法，在-50TT+85t:的范闱内，可获得频率一温度稳 定度为士l-2ppm的晶体谐振器，其精度较低；而采用数字和微机补 偿的晶体谐振器的频率一温度稳定度虽高但价格高、功耗大。目前国 内采用微机补偿的AT切晶体谐振器，在-5(T(T+85'C的范围内频率-温度稳定度可以达到土0.5ppm以上。由于采用上述的线路补偿方法 补偿的晶体振荡器结构比较复杂，体积大、功耗高、成本高，难以满 足近年来科技发展尤其是手机和其它移动通信领域发展的需要；也难 以适应温补晶体谐振器市场的竞争。如我国目前的手机用的温补晶体 谐振器几乎100%的靠进口解决。尤其要指出的是，现有的温度补偿 晶体振荡器几乎全部采用了基频晶体而不是泛音晶体进行频率补偿。 其原因是基频晶体的可拉动性好。但是，其稳定性和老化特性却比较 差。泛音晶体虽然稳定性和老化指标明显好于基频晶体，但是泛音晶
3体的频率很难用现有技术的方法进行较宽频率的拉动，所以很难用在
压控和温度补偿晶体振荡器中。H前国外性能最好的温度补偿晶体振 荡器都是采用稳定性好而拉动性差的(如泛音等)晶体做成的温度补 偿晶体振荡器。由于这种晶体的稳定性很好和可拉动性很差，它的输 出频率是通过频率合成的方法得到的。这样的振荡器通常用于军品 上，其价格相当昂贵，用现有技术的线路补偿方法根本解决不了其性 能和价格相矛盾的难题。
实用新型内容
本实用新型的目的在于克服现有技术之不足，提供一种基于金属 薄膜的应力补偿的温度补偿晶体谐振器，本实用新型基于金属薄膜的 应力调节晶体温度一频率特性，利用晶体器件的频率随加于其卜.的应 力而变化的特点，来补偿温度对频率所产生的影响，以构成新一代的 温度补偿晶体谐振器。
本实用新型所采用的技术方案是基于金属薄膜的应力补偿的温 度补偿晶体谐振器，包括晶体片(2)和晶体片上的电极(1)，晶体
片(1)沿圆周两侧或者电极(2)上设有镀膜温度传感材料(3)。
本实用新型采用真空镀膜的方法，将对温度敏感的传感材料镀在 晶体谐振器的晶体片上或镀在晶体的电极上，当温度变化时，通过温 度传感材料的变形，产生施加于晶体的应力，补偿晶体自身随温度变 化所产生的频率变化。
与现有技术相比较，本实用新型利用晶体的力一频特性和温一频 特性相互补偿的关系，来创造新的高性能的温度补偿谐振器。本实用 新型所采用的应力补偿方法从原理上根本上不同于现有技术所采用 的线路补偿的模式，是一种全新的补偿方法。它大大简化甚至省略了 温度补偿的各种线路，所构成的晶体振荡器结构简化，精度高、体积 小，成本低及功耗小。采用本实用新型的应力处理的方法而得到的基 于温度传感材料应力补偿晶体谐振器，因此能够满意地解决泛音晶体 进行较宽频率的拉动，因而可以将泛音晶体用在压控和温度补偿晶体 振荡器中。同时解决不了其性能和价格相矛盾的难题。并且得到比现有技术的温度补偿晶体振荡器更好的频率_温度特性、相位噪声特 性、频率稳定度和老化特性。正是闵为高稳定的泛音等晶体仍然在较 窄的频率范围内具有可拉动调节的特性，当需要更高的精度时，可在 使用应力处理的基础上，仅在很窄的频率范围，再采用简单线路处理 的方法调节，就能够实现进一步获得更高精度的效果。本实用新型用 简单的应力补偿方法，可以获得良好的温度补偿的效果，所以特别适 合于对温度补偿晶体振荡器的大批量、高精度的生产，再与简单的线 路补偿技术结合，能够进一步提高这类振荡器的起点和总体水平。对 于所占比例相当大的普通温度补偿晶体振荡器而言，由于去掉了线路 控制部分，其短稳指标和相位噪声特性更好。必将在该应用领域获得 巨大的经济效益。
图1是本实用新型实施例1结构示意图。
图2是本实用新型实施例2结构示意图。 图3是不同切角晶体片的频率-温度特性图。 图4是本实用新型实施例1的晶体振荡器的频率-温度特性图。 图5是本实用新型实施例2的晶体振荡器的频率-温度特性图。 图6是本实用新型用于温度补偿晶体振荡器的电路原理框图。 图7是现有技术的温度补偿晶体振荡器电路原理框图。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型进行详细说明。 本实用新型根据振荡器的频率随着施加于其上的应力的变化而 变化的特点，采用温度敏感器件影响加于晶体谐振器卜.的应力大小， 来补偿晶体振荡器的频率随温度的变化。而晶体和晶体振荡器的力_ 频效应就是当谐振器受应力作用时，它的谐振频率随之会发生改变。 这个应力可以由外力、加速度和振动、电极变形、晶体的支撑或其它 的因素而引起。随着施加力的增加，晶体的振荡频率的变化也增大， 力减小频率的变化也随之减小。下面是具体的晶体频率增量与其所受 应力变化的关系式<formula>formula see original document page 6</formula>
式中Af-谐振器的频率增量；
Kf -谐振器的拉氏系数；
f _谐振器的谐振频率；
n _谐振泛音次数；
D -谐振器的直径；
△F -应力变化。
从(1)式可以看出晶体的频率变化受谐振器的频率、直径以及 谐振次数等因素的影响。但对同一个晶体来说，Kf、 f、 n、 D都是常 量，此时晶体的频率变化与其所受应力的变化在理论上成线性关系。 虽然还有一些表达晶体的频率变化与加与其上的应力变化的表达式 和(1)式可能有差别，但是力-频之间的线性变化关系是一样的。
基于金属薄膜的应力补偿的温度补偿晶体谐振器包括晶体片(2) 和晶体片的电极(1)，如图1、 2所示，将温度传感材料(3)直接镀 在晶体谐振器的晶体片(2)沿圆周两侧，或者镀在晶体片的电极(1) 卜.。当温度发生变化时，晶体和晶体振荡器的总体频率-温度特性会 根据晶体本身的频率-温度特性和其力-频特性的综合作用结 果而发生变化，也就是随着温度变化先使温度传感材料产生形变，由 于该材料和晶体的紧密联结，使得晶体本身承受应力变化而引起其频 率发生变化。补偿的目的是使由应力所引起的频率变化与晶体本身随 温度产生的频率变化相互抵消。
当用温度传感材料应力对晶体谐振器的频率进行补偿时，以温度 传感材料的零应力点温度为参考点，选择晶体片切角所对应的接近线 性的频率-温度特性频率段进行补偿，当温度偏离零应力点下降时， 传感材料变形产生施加在晶体卜.的应力随之增大，引起晶体的频率减 小，从而拉动晶体改善温度-频率特性。所述的温度传感材料可选择 热胀冷缩敏感的金属材料。
在图1中，本实用新型把随着温度变化而产生明显的热胀冷缩形变的温度传感材料(3)用镀膜的方法镀在晶体片(2)上。在图2中， 将温度传感材料(3)用镀膜的方法镀在晶体的电极(1)卜.。通过温 度传感材料(3)的形变，产生作用于晶体片(2)或电极(1)相应 部位的应力。本实用新型选择随温度的形变相对于晶体的水晶材料较 为灵敏的银、金、铜-镍、铝-银、金-银、铜-铝等双金 属材料作为温度传感材料(3)。采用二次真空镀膜法将金属温度传感 材料(3)直接镀在晶体片(2)上。如果要将温度传感材料(3)镀 在晶体电极(1)卜.，由于本实用新型的晶体电极(1) 一般为金属铝 电极或金电极，可选择热胀冷縮变形明显的单一的金属材料镀在晶体 电极(1)上，形成双金属温度传感材料(3)。
如图3所示，晶体和晶体振荡器的频率-温度特性根据晶体的 加工角度不同而不同，主要是三次曲线或与此相似的特性。
从图3中的曲线得出，当晶体的切角不同，随温度的升高，可以 使晶体的频率一温度特性曲线在大多数温度范围内出现正斜率和负 斜率的两种变化。
本实用新型应力补偿晶体频率一温度特性实施例 本实用新型典型地选择频率一温度特性曲线段为负特性的晶体
切角条件进行频率补偿。在温度为85°C左右的真空条件下，将金属 银、铝直接镀在晶体片(2)沿圆周的两侧边沿处，正反两面都镀有 半环型的银温度传感材料(3)，如图l所示。或在晶体的铝电极(1) 上镀一层铜或钢膜温度传感材料(3)。镀层形状为沿x轴的长条型(或 者反过来，铜或钢在内，铝在外)如图2所示。用这种方法，形成了 晶体片(2)的双金属铝一铜或铝一钢电极。当温度从双金属温度传 感材料(3)的零应力点温度85°C下降至-50t的过程中，晶体片(2) 上或电极(1)的温度传感材料(3)银、铝一铜或铝一钢变形，产生 施加于晶体片(2)的应力，使该晶体振荡器在图3中的频率一温度 特性曲线逆时针旋转变化，使频偏减小，频率趋向标准值。获得了如 图4所示的最接近线性变化的补偿曲线。图4中的1#和4#为本实用 新型实施例1应力补偿后的晶体振荡器的频率-温度特性图的补偿曲
7线，较之其他未补偿晶体性能有明显的改善，图5为本实用新型实施 例2应力补偿后的晶体振荡器的频率-温度特性图的补偿曲线。
经过本实用新型的补偿处理，不需要增加任何线路，就能够明显 改善晶体和晶体振荡器的频率一温度特性。这种不需要经过用线路的 处理方法所获得的温度补偿晶体振荡器的技术指标已经可以满足绝 大多数产品如手机的需要。与在同样温度范围内大多数晶体的频率温 度稳定性只能达到士几十ppm相比，其技术指标已经有大幅度的提 高。本实用新型也为生产高精度温度补偿晶体振荡器提供了补偿方 法。就是在获得上述补偿的频率-温度特性的基础上，仅在很窄的 温度范围内辅以简单的、常规的线路补偿方法，就很容易获得频率一 温度特件高达土O. 2ppm的补偿精度。
用上述温度传感材料(3)也可以对泛音AT切晶体镀膜构成电极 产生好的补偿效果，在初采用本实用新型的应力补偿方法补偿的基础 上再附加简单的补偿线路，可以有效地在小范围拉动泛音晶体的频 率，得到更好的补偿效果。譬如，对频率为38.88MHz的泛音晶体， 应力补偿方法可以产生不小于-lKHz的频率变化。但是用传统的线路 调节的方法，h述泛音晶体频率只能产生几Hz到几十H7的频率变化。 这就较好地解决了稳定性好的泛音晶体频率难以用现有技术中的线 路调节补偿的难题，为温度补偿类泛音晶体的应用开拓了广阔前景。
将图l、图2和图6与图7进行对比，可以看出，在图7所示的 现有技术中，温度补偿晶体振荡器主要由温度传感器、温度补偿线路 和压控晶体振荡器三部分组成，这三部分是缺一不可。而在应用本实 用新型组成温度补偿晶体振荡器中，本实用新型可以替代图7中的虚 线框出的温度传感器和温度补偿线路两大部分结构。即使是在图4中 应用本实用新型组成的温度补偿晶体振荡器，也仅在本实用新型之外 附加了一个简单的振荡线路，其总体结构、体积也大大小于图7组成 温度补偿晶体振荡器。
值得提出的是，晶体片(2)常常在承受应力后会出现负频差。 所以，对晶体片(2)的加工要预置正频差。这方面的工艺保证可以使批量生产中得到的晶体的整体频率-温度特性被大大改善。满足一
次成品的合格率达到80%以匕
通过对大量晶体的试验证明，在晶体的零应力点的高、低温度两 个方向上(膨胀和收縮，弯曲的方向不一样)，频率的变化都是向低 的方向变化。可以形成以零应力点为中心的两个方向近于折线的都向 下的补偿的接近线性的温度一频率补偿特性。这样便得到更宽的补偿范围。
权利要求1、基于金属薄膜的应力补偿的温度补偿晶体谐振器，包括晶体片(2)和晶体片上的电极(1)，其特征在于晶体片(1)沿圆周两侧或者电极(2)上设有镀膜温度传感材料(3)。
专利摘要本实用新型公开一种基于金属薄膜的应力补偿的温度补偿晶体谐振器，包括晶体片和晶体片上的电极，晶体片沿圆周两侧或者电极上设有镀膜温度传感材料。本实用新型采用晶体片的力频特性和温频特性互补关系补偿晶体谐振器的频率。当温度变化时，本实用新型通过温度传感材料的变形，产生施加于晶体片的应力，补偿晶体片自身随温度所产生的频率变化。采用本实用新型的补偿方法，可在较宽的温度范围使晶体片的频率-温度特性达±1ppm，因此能够满足更高精度晶体振荡器的要求，本实用新型提高了温度补偿晶体谐振器的起点和总体水平，大大简化甚至省略了温度补偿的各种线路，具有体积小、成本低的优点。
文档编号H03L1/02GK201341127SQ20092003182
公开日2009年11月4日 申请日期2009年1月23日 优先权日2009年1月23日
发明者关兴水, 渭 周, 贾兆旻 申请人:西安华伟电力电子技术有限责任公司