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用激光刻蚀图形,把石英晶振晶片表面电极层部分完全剥落的方法,其优点首先在于频率微调量大,大气中即可达到2000pm以上的频率微调量。

其次,刻蚀图形的方法,可以对石英贴片晶振晶片一面进行加工,而实现两面同时同剥落其次,刻蚀图形的方法,可以对晶片一面进行加工,而实现两面同时同剥落。

第三,由于在生产过程中,石英贴片晶振晶片表面的电极层是靠掩膜镀敷到晶片表面上的, 在掩膜的过程中,边缘处会产生散射,使得沉积在晶振晶片上的银层边界线不够清晰有部分散射银残留的现象,同时也会影响晶振晶片的Q值。用激光刻蚀图形的方法, 对晶片边缘进行加工,便可以清除边界残留银层,使得晶片表面银层清晰于净, 时提高晶片的Q值。

调节激光器的电流和激光扫描时间到适当的值,是可以实现对石英晶振,贴片晶振进行频率微调的。虽然实验中微调的量最小也是kHz数量级,但从两组数据中可以看出只要电流和扫描时间调节的得当,进行几Hz~几百Hz数量级的频率微调也是可行的,亦即实现晶振ppm级的频率精度。

其次,从实现数据中可以看出频率微调量在扫描时间固定的情况下,并不是与激光电流完全成正比;而在激光电流固定的情况下,也不是与扫描时间完全成正比的。这一方面可能与表面银层对于激光的反射作用有关,大量的激光束被银层反射回去,没能用于对表面电极层进行气化,只有通过加大激光电流的办法来加强对表面的轰击。但这样一来很容易造成频率微调量过大,超出了想要的频率微调数量级的现象。

另一方面可能与整个石英晶振激光频率微调实验进行的环境有关。整个激光频率微调实验完全在大气环境下进行,受激光扫描而气化的分子受大气中的分子颗粒的散射作用,重新返回晶振晶片表面,堆积在表面其他地方。这样实际上晶振晶片的质量并没有减小,由 Sauerbrey方程:

可知质量没有改变就不会对石英晶振频率产生微调,因而网络分析仪就测量不出频率的变化。这样实验时就会继续加大激光电流或是增加激光照射或扫描时间。而这样是不对的。因为实际上气化过程在频率真正得到改变前就已经发生了,只是石英晶振晶片总质量没有改变从而不会对频率产生影响。当增强后的激光照射在晶片表面时,有可能电流过大,穿透表面银层,产生与图3.5类似的情形,造成实验失败。

此外,从实现数据可以看出,激光扫描电流和激光扫描时间两个参数并不是独立作用的,并不是增加或减少其中的一个就可以直接影响晶振频率微调量的。因而需要两个参数相互配合,在实验的基础上达到一个最佳平衡点。

从实验中可以推断,除了激光扫描电流和激光扫描时间两个参数外,还有其它的参数影响着实验结果。如:气压,气温,甚至激光扫描路径。因而需要大量、反复的实验来找出这些关系,进而找到实现精确石英频率微调的最佳方案。

运用不同的工艺方法,对石英晶振进行频率微调,以不同参数的激光产生不同的微调量和微调效果。通过拍摄SEM照片,来研究在不同的激光参数和条件下,激光对于石英晶振表面及内部的改变和损伤情况。共分五种情况对激光刻蚀损伤进行研究。

1.直接刻蚀石英晶振片表面。

2.以大电流刻蚀石英晶振表面银电极层,使其产生肉眼可见的大面积刻蚀痕迹,至使频率计无法读出刻蚀后的频率值。

3.以适当的激光参数刻蚀石英晶振表面银电极层,并无明显的刻蚀痕迹,频率微调量在50ppm,其他电性能参数改变量均小。

4.以刻蚀图形的方法对石英晶振表面银电极层进行刻蚀,刻蚀图形为银电极层外层圆环,频率微调量达l000pm。

5.以刻蚀图形的方法对石英晶振表面银电极层进行刻蚀,刻蚀图形为银电极层半边圆,频率微调量达2300ppm。

以下为石英晶振实验结果分析

1.直接刻蚀石英晶振片表面

在电流为11A,激光频率为10KHLz,Q脉冲宽度为10s的条件下,直接对石英晶振片进行环状刻蚀。刻蚀示意图如图4.7所示。

图中虚线所示为激光刻蚀的轨迹,可见激光全部作用在石英晶振片本身,而不是其表面的银电极层上。经刻蚀,贴片晶振,石英晶振片的频率从10.0268376MHz,上升为10.0268780MHz,频率微调量为404pm。这样做的目的,是为了观察当激光直接作用于晶片本身的时候,会对晶片产生怎样的影响。

通过电镜观察,刻蚀后的石英晶振片断面如图4.8所示。

从图中可见,被激光刻蚀后的区域,石英片表面平整,形貌良好,并未对下面石英晶体产生损伤。部分晶体被激光刻蚀掉后由于大气中分子的散射作用,重新落回到晶片表面,覆盖在原晶片上。

2.以大电流刻蚀贴片晶振,石英晶振表面银电极层,使其产生肉眼可见的大面积刻蚀痕迹,至使频率计无法读出刻蚀后的频率值。

在电流为14A,激光频率为10KHz,Q脉冲宽度为10ys的条件下,对石英晶振片表面银电极层进行刻蚀。刻蚀图形及示意图分别如图4.9、4.10所示。

在14A的激光电流刻蚀下,晶片表面刻蚀区域的电极层被损坏,出现了肉眼可见的较大范围内明显剥落痕迹。至使频率计无法读出其谐振频率,石英晶片停振。

通过电镜观察,刻蚀后的石英晶振片断面如图4.11所示。

如图所示,图中左半边银电极层清晰可见,均匀的覆盖在石英表面。而右半边银电极层被激光刻蚀剥落,被剥落处银电极层与贴片晶振,石英晶振混在一起,界线模糊。并且剥落已经损伤到石英晶振本身。损伤延伸至2000m深度。

激光束入射到晶振材料表面,在材料表面会发生反射、散射、吸收等,要进行激光辐射的热效应理论计算,首先要知道有多少辐射能量被石英晶振材料吸收。对于透明或半透明的材料,需要测量材料的反射率和透射率,而对于不透明材料,只需要测量其反射率就足够了。

从微观来看,激光对石英晶振的作用是高频电磁波对物质中自由电子或束缚电子的作用,晶振对激光的吸收与物质结构和电子能带结构有关。金属中存在大量的自由电子,在激光作用下这些自由电子受到光频电磁波的强迫振动而产生次波这些次波形成了强烈的反射波和较弱的透射波,透射部分将被电子通过轫致辐射过程而吸收,继而转化为电子的平均动能,再通过电子与晶格之间的驰豫过程转变为热能。

非金属与金属不同,它对激光的反射比较低,对应的吸收比较高。石英贴片晶振电介质对激光吸收与束缚电子的极化,单光子或多光子吸收,以及多种机制的非线性光学效应有关。透明电介质表面或石英晶振体内的杂质和缺陷往往强烈吸收激光,成为破坏的根源。半导体对激光的吸收有多种机制,以本征吸收最为重要,产生的电子一空穴对很快通过无辐射跃迁复合,将吸收的光能转变为热能。等离子体是特殊条件下存在的电离气体,蒸气等离子体对激光有很强的吸收作用。

石英晶体谐振器是利用石英晶体的压电效应制成的一种谐振器件,其基本结构为:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片,它可以是正方形、矩形或圆形等),在它的两个对应面上涂敷银层作为电极,在每个电极上各焊根引线接到管脚上,再加上封装外壳就构成了石英晶体振荡器,简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装,也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。图2.1是石英晶振结构图。图22是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。

石英晶振晶体的压电效应

若在石英晶体的两个电极上加一电场,晶片就会产生机械变形。反之,若在晶振晶片的两侧施加机械压力,则在晶片相应的方向上将产生电场,这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压,晶片就会产生机械振动,同时石英晶振晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下,晶振晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小,但当外加交变电压的频率为某一特定值时,振幅明显加大,比其他频率下的振幅大得多,这种现象称为压电谐振,它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方向、几何形状、尺寸等有关。

石英晶振晶体的符号和等效电路

石英晶体谐振器的符号和等效电路如图23所示。当晶体不振动时,可把它看成一个平板电容器称为静电电容C,它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关,一般约几个pF到几十pF。当石英晶体谐振时,机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十mH到几百mH.晶振晶片的弹性可用电容C来等效,C的很小,一般只有0.0002~0.lpF。

晶振晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效, 它的数值约为100g。由于晶片的等效电感很大,而C很小,R也小,因此回路的品质因数Q很大,可达1000~10000。加上晶振晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方向、几何形状、尺寸有关,而且可以做得精确,因此利用石英晶体谐振器组成的谐振电路可获得很高的频率稳定度。

从石英晶体谐振器的等效电路可知,它有两个谐振频率,即(1)当L、C R支路发生串联谐振时,石英晶体谐振器的等效阻抗最小(等于R)。串联揩振频率用fs表示,石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性;(2)当频率高于fs时,L、C、R支路呈感性,可与电容C0发生并联谐振,其并联频率用fd表示。工程技术中石英谐振器就工作在fs到fd范围内或这两个频率的奇次谐频上。

根据石英晶振的等效电路,可定性画出它的电抗一频率特性曲线如图2.3所示。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时,石英晶体呈容性。仅在fs极窄的范围内,石英晶体呈感性。石英晶体表面附着电极层后的膜系结构示意图如图24所示。

Sauerbrey方程用于描述石英晶体谐振频率与晶体表面附着物质(此处为上、下两面的银电极层)之间的变化关系,该方程如下:

其中f0为石英晶振原始谐振频率(单位为Hz),△f为晶振的频率变化量(单位为Hz),△m为晶体变化的质量(单位为gcm-2),A是晶体有效面积(即电极面积,单位为cm2),pμ是石英晶体的密度,μφ为晶体剪切弹性模量。

对于指定晶振晶片,fo、A、pμ、qμ均为常数,因而, △f与△m的绝对值成正比,负号表示表面银电极层质量的增加,会引起石英晶振谐振频率的减少;而表面银电极层质量的减少,会引起石英晶振谐振频率的增加。即:增加银层质量和减少银层质量两种方法都可以改变石英晶振的谐振频率。

可见,附加的银电极层会对石英晶振器的谐振频率产生影响。因而工业生产中,一般先制作出与目标频率接近的石英晶片并附加表面电极,再通过改变表面电极厚度方法,来微调晶振频率以达到目标频率。

晶振是为电路提供基准频率信号源的一种频率元件,在前面的文章中亿金电子有提到过关于石英晶振晶片的选择,晶振刻蚀的影响,晶振片的生产材料等信息,那么下面要给大家说的是利用石英晶振作为微力传感器的分析讲解.

在非接触测量模式中,微悬臂是要靠压电驱动器进行AC驱动来做小幅的振动,随着其进一步的发展,人们把目光开始转向压电材料,当石英等材料受到应变时会产生电荷,而当在这些材料上施加电场时,其几何尺寸就会发生变化,这种现象被称为压电效应I18。1990年IBM公司GrutterP等提出了可以将微悬臂粘附在双晶片之间以产生稳定性很好的高频振荡信号,从而对由于力梯度的作用下悬臂的形变信号进行频率调制,通过解调就可以获得表面形貌,研究显示了在固定带宽的情况下,灵敏度可提高2倍以上。

1991年TR.Albrech等采用在片层压电材料表面刻蚀出针尖来取代传统的用si材料做成的微悬臂201。由于压电材料能将机械振动特性的变化直接转化为电荷变化,因此不需要激光测微仪,但用其制作的微悬臂品质因数Q值(约200)较低,使得分辨率有待提高,而且在片层压电材料表面刻蚀出针尖的成本太高。因此必须使用一种高品质因数的压电材料的传感器以提高信噪比。

使用针式传感器的想法在1988年就产生了,当时因为测量集成电路的需要,研究人员曾经试图模仿传统的轮廓仪,将一个针尖制作成圆弧半径可达nm级,这样就可以突破一些物理极限,如光的波长,以获得大约相当于光波长的百分之一的测量精度。但是这需要解决两个问题:针尖的制备和测量相互作用力。1988年,P.Gunther等人探讨了使用石英音叉晶振作为传感器的可能性，将音叉的一个角作为针尖逼近样品表面,音叉的幅值和频率会随着逼近距离的变化而变化,证明了使用石英晶振作为传感器,是一个很有希望的发展方向。1993年,K.BARTZKE等研制出了第一台这样的针式传感器并将它用于AFM的测量中,其针尖的制备使用了机械蚀刻金刚石的方法为了检测针尖和样品之间的接触,针尖被固定在一个高灵敏度的1MHEZ杆状晶振上,晶振的谐振参数的变化可以被相应的电路检测出来。

1995年, A Michels等报道了将晶振作为扫描近场声显微镜的探针的研究。将1MHZ杆状晶振的尖角作为针尖以45°角与样品逼近,将晶振受到的阻尼信号作为测量距离的信号得到物体表面的形貌图。其垂直分辨率达到了50nm,水平分辨率达到了200nm,是介于传统的轮廓仪和SFM之间的一种仪器24。随着研究的进一步深入,研究者开始探讨将针式传感器作为其他类型显微镜的应用。M. Todorovic等在1998年报道了一种使用音叉作为传感器的磁力显微镜。在石英音叉的一支脚上粘附一个经过磁化的非常细小的针尖,即可构成磁力传感器。石英音叉晶振的脚只有2mm长,200um厚,100um宽,弹性常数只有200N/m,只有传统的AFM仪器的十分之-。针尖是电化学腐蚀镍丝的方法制作的,针尖的安装保证了音叉的弹性常数和Q值不发生大的变化。

国内这一领域的工作开展的比较晚,1997年,计量科学研究院与西德的合作项目中首次使用了这一技术,之后我们实验室也在这一领域进行了跟踪研究,并获得了初步的结果。

从上述发展历程可以看出,使用贴片晶振,石英晶振作为针式传感器,到目前其测试精度并没有达到很高,但是由于其成本低廉,易于获得,性能稳定,在测试方法上具有独到的优势,因此是一个很有前途的发展方向,随着研究的进一步深入,它的测量精度有可能进一步提高,这对于工业界和实验室来说,是一个性价比很高的测量仪器,对于科学试验和工业应用都具有很大的价值。

根据前面介绍的关于晶振片的由来以及晶振原理,毫无疑问,石英晶振片是比较敏感的电子组件。用作镀膜的时候晶振片可以测量到膜厚0.000000000001克重的变化,这相当于1原子(atom)膜厚,而且,晶振片对温度也很敏感, 对1/100摄氏温度的变化也能感知。

另外,石英晶振片对应力的敏感也很大,在一些特别的镀膜过程中可以感知已镀膜的石英晶振片冷却后膜层原子的变化。例如常用MgF2增透膜,300度时膜硬度是平时的2倍,冷却时产生巨大的应力, 随着镀膜规格指标的需求日益严格,石英晶振控制成为镀膜必备的辅助或控制方法,如何正确有效地使用晶振片成为保证镀膜质量的重点。所以为了使晶振片寿命最长,下面一些方法和技巧供您参考：

1.安装镜片时,用塑料摄子来挟住晶振片的边缘,不要碰晶振片中心,任何灰层,油污都会降低晶振片的振动能力。

2.保持探头的清洁。不要让镀膜材料的粉末和碎片接触探头的前后中心位置。任何石英晶体和夹具之间的颗粒或灰层将影响电子接触,而且会产生应力点,从而改变石英晶体振动的模式。

3.维持探头的冷却水温度在20~40°C之间。如果可以将温度误差保持在1-2℃范围内,效果更佳。

4选择晶振片时,要选择表面光滑、颜色较为统一晶振片, 表面有划伤或赃物的不可以使用;

5.分离晶振传感器时,注意上半部分的镀金弹簧片不能弄脏变形,更不可断裂;保证每一个弹簧的三个脚的高度和弯曲度(60度)都相等;放置时应将镀金弹簧片朝上平放在工作台上,严禁反放。取出石英晶振片时要小心,不可使其滑动或掉落,使之划伤或破裂。(整个过程必须戴乳胶手套,避免手指上赃物接触其上)。

6.镀膜时注意观察蒸发速率的变化情况,速率曲线出现异常波动之后要能准确判定是否晶振片出现故障,并决定是否切换：

石英晶振片要不要换主要看以下几方面：

蒸发速率出现明显异常,速率持续波动;

晶振片的表面明显出现膜脱落或起皮的现象

7.石英晶振片的回收利用用过的晶振片可以重新利用,主要方法有两种：

（1)彻底除去石英晶体谐振器,贴片晶振,石英晶振片上的膜层和电极,重新邮回厂家镀上电极。

（2)利用金电极不溶于硫酸等强酸的特点,客户自行处理,将晶振片上的膜层除去,重新利用。

但使用再处理石英晶振片时注意以下事项

（1)银铝合金溶于各种酸,不适合再处理。

（2)酸祛除晶振片膜层时,必然对基底或外观有一定影响,初始频率也会改变,放入晶控仪中会发现初始读数改变或显示寿命降低,这些不会影响石英晶振片的基本功能,但晶振片的寿命会大大降低。

振片清洗配方:20%氟化氢铵水溶液,浸泡6小时以上,浸泡后投入酒精擦拭,去水即可。

亿金电子专业生产销售石英晶振,贴片晶振,石英晶体谐振器等晶体元件.多年来诚信经营,为用户提供并且推荐质优价廉的晶振产品,在激烈的市场竞争环境中,凭借自身的才智不断创新,改进扩大,以技术赢得市场,以质量赢得客户.亿金电子代理台湾进口晶振,日本进口晶振,欧美进口晶振,市场上常见的晶振品牌如KDS晶振,NDK晶振,TXC晶振,鸿星晶振,京瓷晶振,精工晶体,CTS晶振,微晶晶振,爱普生晶振等均现货,可免费提供样品以及技术支持,欢迎登入亿金官网查看了解详情.

GPS定位系统是靠车载终端内置SIM通过移动GPRS信号传输到后台来实现定位。在远的地方定位人的行踪。GPS卫星定位系统的前身是美军研制的一种“子午仪”导航卫星系统，GPS全球定位系统是20世纪70年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航GPS定位系统。
GPS定位系统工作原理是由地面主控站收集各监测站的观测资料和气象信息,计算各卫星的星历表及卫星钟改正数,按规定的格式编辑导航电文,通过地面上的注入站向GPS卫星注入这些信息。测量定位时,用户可以利用接收机的储存星历得到各个卫星的粗略位置。根据这些数据和自身位置,由计算机选择卫星与用户联线之间张角较大的四颗卫星作为观测对象.

GPS接收机正常工作的条件是至少同时可以接收到4颗卫星的有效信号,当接收到的卫星个数少于4颗时,定位和定时信息是不准确的甚至是错误的。出现这样的原因一般有:个别卫星退出工作、天线安装位置不当、卫星故障等, 这些都有可能造成接收到有效信号的卫星个数过少。

而且有实验证明即使将接收天线从接收机上拔掉,在其后的很长一段时间内GPS接收机仍有PS输出,但此时的1PS与UTC已经有很大的差别,由此可见,GPS接收机完全有可能输出错误的lPPS信号。另外,信号在传递过程中受到来自外界电磁信号的干扰,GPS接收机输出的1PPS信号中可能含有毛刺,导致伪1PPS信号的产生,从而导致系统的误动作,因此有必要采取抗干扰措施。这里采用硬件开窗方法消除干扰2,原理如图4.1所示。

图中的CLK信号由高稳定度的恒温晶振提供,在系统上电复位后,启动单片机的串行通讯口,接收GPS信息,根据解码信息中的工作状态指示判断PPS的有效性。当初始触发分频信号到来之后,通过控制信号设置FPGA中的计数器在接收到的GPS1PS上升沿的附近产生一个短时间的高电平窗口信号,相当于一个与门,过滤掉窗口外的干扰信号。

另外,通过单片机自带的外部中断模块来对去掉干扰后的PPS信号的上升沿进行检测,根据检测结果判断GPS接收机是否正常工作,来决定系统的工作模式是驯服模式还是保持模式,具体消除1PS中干扰脉冲的波形图如图4.2所示。

下面主要介绍处理干扰时的重点:

1.初始触发分频信号的判断

系统初始化后,用单片机的外部中断连续三次检测来自GPS接收机的1PPS信号,如果三次都检测到则给出初始触发分频信号。

2.设置合理的“窗口”信号

由于OCXO恒温晶振的输出频率比较稳定,当初始触发分频信号到来吋刻起,利用FPGA中的计数器和OCXO石英晶体振荡器输出的倍频信号可以大致计算出下一个有效PPS脉冲的到来时刻,经过(1-△)秒后打开“窗口”,在计算得到的第二个PPS脉冲的到来时刻

后的M秒后关闭该“窗口”,只要M选择得足够小,则抗干扰效果就非常的明显。

3.GPS信号的失效检测及处理

对于整个驯服系统来说,GPS信号丢失会产生严重的后果,原因可能是接收机接收到的卫星个数少于四颗,如上面所说的天线的安装问题等,使接收机处于非正常工作状态。或者是GPS接收机与单片机模块或者与门逻辑的接口出现问题,使GPS秒脉冲信号或时间状态信息不能正常传输。

假如是第一种情况,接收模块可通过GPS接收机串口输出的状态信息判断其输出信号是否失效,后面的软件程序作出相应的处理。假如是第二种情况,属于两种功能模块之间的通信故障,系统相关模块不可能从GPS接收模块获得GPS的工作状态信息或者秒脉冲信号,GPS_1PPS秒脉冲入口处的电平不会出现任何变化。

此时,相关模块必须有独自判断GPS是否失效的能力。可以在“窗口”信号开通期间使用单片机相关外部中断模块,如果没有检测到正确跳变,说明GPS信号失效;如果“窗口”信号开通期间相关中断模块能捕捉到正确跳变,则说明GPS信号可能已恢复正常,此时系统可以继续对恒温晶体振荡器OCXO进行校准。

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