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(qiáng)

（北京無線電計(jì)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(dá)到較高水平，日漂移指標(biāo)達(dá)到2×10-12，短期頻率穩(wěn)定性指標(biāo)達(dá)到1×10-13/s，相位噪聲達(dá)到-120dBc@1Hz，可用于低老化、長壽命頻率源。但當(dāng)時(shí)研制的BVA石英諧振器尺寸較大，達(dá)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(jī)振動(dòng)，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(duì)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(dòng)模式為基礎(chǔ)，重新設(shè)計(jì)非接觸電極、振子安裝結(jié)構(gòu)，并全面提升可靠性，同時(shí)優(yōu)化BVA石英諧振器制作方法，最終實(shí)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(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)行性能和可靠性檢測，同時(shí)，基于小型BVA石英諧振器制作晶體振蕩器進(jìn)行性能測試，驗(yàn)證小型BVA石英諧振器的各項(xiàng)性能指標(biāo)［4］。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

3.1 整體設(shè)計(jì)

為了保持優(yōu)越的性能，采用SC切厚度剪切振動(dòng)模式的晶片，SC切型晶片具有應(yīng)力補(bǔ)償和熱瞬變補(bǔ)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(jì)，針對(duì)晶振工作溫度，設(shè)計(jì)拐點(diǎn)溫度85℃±2℃，參考傳統(tǒng)高精密晶體并結(jié)合試驗(yàn)設(shè)計(jì)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(jì)

BVA石英諧振器的核心是非接觸電極的設(shè)計(jì)，即電極并不鍍?cè)谑⒕希清冊(cè)谏舷码娙萜希舷码娙萜捎卯愋徒Y(jié)構(gòu)，中心電極區(qū)相對(duì)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(shí)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(jì)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(diǎn)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(jì)

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(duì)上下電容片進(jìn)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(shí)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(jìn)一步減小整個(gè)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(jì)

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(shí)將電容片厚度適當(dāng)減薄，以減小整個(gè)諧振器的重量和體積。同時(shí)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(qiáng)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(shí)，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(xiàng)參數(shù)均為拐點(diǎn)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(diǎn)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(dòng)試驗(yàn)

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(dòng)可靠性，進(jìn)行了隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)，振動(dòng)試驗(yàn)條件如圖5所示，振動(dòng)量級(jí)為15grms，試驗(yàn)前后進(jìn)行測試，產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)穩(wěn)定。

圖5 振動(dòng)試驗(yàn)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(jìn)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(dá)到-123dBc/Hz@1Hz。老化曲線如圖7所示，日老化指標(biāo)達(dá)到9×10-12。短穩(wěn)測試結(jié)果如圖8所示，秒穩(wěn)指標(biāo)達(dá)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(jì)、振子安裝結(jié)構(gòu)，在小型化設(shè)計(jì)的同時(shí)提升可靠性設(shè)計(jì)，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(jī)振動(dòng)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(jī)中，提高整機(jī)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(jì)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(diǎn)安裝的 SC切和AT切諧振器的加速度和加熱特性［J］．宇航計(jì)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(jì)測技術(shù)，1990,3：69-74．