CN103128451B - 一种利用超快激光进行石英晶体调频的方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种利用超快激光进行石英晶体调频的设备，包括用于放置待加工石英晶体组的装料架和计算机控制系统，该设备还包括一用于测量石英晶体谐振频率的测频采集模块，该测频采集模块设置于装料架上；一在线位置检测模块，该在线位置检测模块设置于装料架上；一超快激光器，该超快激光器通过一X/Y轴扫描振镜将产生的激光投射于石英晶体进行刻蚀；以及一自动上料机构，自动上料机构与计算机控制系统电连接。本发明还提供了一种利用超快激光进行石英晶体调频的方法，其通过超快激光器对石英晶体表面镀银层及镀银层下的石英晶体材料进行刻蚀以改变石英晶体表面质量，从而实现对石英晶体频率的大范围精确调频，从而提高晶体成品频率稳定性。

Description

一种利用超快激光进行石英晶体调频的方法及其设备

技术领域

本发明涉及石英晶体生产设备领域，特别涉及一种利用超快激光进行石英晶体调频的方法及其设备。

背景技术

石英晶体谐振元器件具有体积小、精度高、频率稳定性好等特点，已广泛应用在各种电路中，由于加工工艺及材料特性的离散性，以及石英晶体谐振器元件高频率精度要求，在生产过程中需要对其进行频率调整以达到提定的频率额定值及误差范围。对石英晶体谐振器频率调整所依据的原理是Sauerbrey方程，该方程指出石英晶体谐振频率变化与晶体表面附着物质质量的变化呈反向比例关系，故对石英晶体的频率调整方法主要是通过改变其表面物质质量来实现的，现有常用的减质量方法及设备主要有：手工通过砂轮磨削石英晶体两臂表面以去除石英材料及表面所镀银层、自动机电系统及测频电路根据测频结果通过砂轮进行石英晶体自动磨削调频，以及通过普通长脉冲激光照射石英晶体表面镀银层，使其汽化的方法实现石英晶体谐振频率微调。

上述对石英晶体谐振器频率调整的方式都有缺点：1.手工砂轮磨削调频劳动强度大，生产效率低，生产速度及频率调整误差范围受加工人员素质影响大；2.自动砂轮磨削一次去除石英晶体及表面镀银层量难于精确控制，使用较细颗粒的砂轮进行材料去掉则生产效率低，同时砂轮加工所产生的粉尘及微裂纹会影响石英晶体元件品质；3.长脉冲激光照射石英晶体表面镀银层，使其汽化的方法可以实现精细微调，但由于长脉冲激光只能去除表面银层而不影响底层石英材料，而银层质量相对比例低，故频率调整范围小，由于国内晶体生成的频率离散性大，故难于通过长脉冲激光实现一次调频达到额定频率的目的；4.采用砂轮加工及长脉冲激光加工是一种利用机械磨削及激光热效应的加工方法，这种方法对石英晶体及表面镀银层会生产材料重铸层或微裂纹效应，从而影响晶体成品频率稳定度；5石英晶体谐振频率受温度影响大，故加工热效应所产生的热量将严重影响测量结果，从而影响加工后的成品频率离散性。

目前实现高精度要求的石英晶体谐振器加工一般前道采用砂轮，后道采用长脉冲激光或前道采用粗砂轮后道采用细砂轮的方法进行频率粗调与微调，但这样工序多而且复杂，生产效率低。

现有技术中公开了一种“用激光照射对石英晶体进行微调的方法和设备”，见公开号为：1412606，公开日为：2003-04-23的中国专利，该方法是用激光照射石英晶体表面镀银层，使其汽化的方法对石英晶体谐振频率进行微调。用高速频率动态采集系统对石英晶体谐振频率进行采集作为反馈信号，控制激光输出参数。计算机分析系统接收到频率数据后，与设定值进行比较，将频率差值换算成需照射功率的差值，调整脉冲宽度，计算出脉冲个数，控制激光功率输出，直到石英晶体的频率达到要求值。具体通过导线即探针将石英晶体谐振频率传导到高速频率动态采集系统，由此形成闭环控制达到提高微调精度的效果。通过光纤传输激光束到达石英晶体表面，对其进行汽化以达到调节频率的目的。但该发明只能针对石英晶体表面镀银层进行处理，并不能对镀银层下面的石英晶体材质进行处理，而银层质量相对比例低，故所能进行的频率调整范围小，由于国内晶体生成的初始频率与额定频率之间的偏离值差异较大，故难于通过长脉冲激光实现一次调频达到额定频率的目的。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一，在于提供一种利用超快激光进行石英晶体调频的设备，实现对石英晶体频率的大范围精确调频，从而提高晶体成品频率稳定性。

本发明的技术问题之一是这样实现的：一种利用超快激光进行石英晶体调频的设备，包括用于放置待加工石英晶体组的装料架和计算机控制系统，该设备还包括一用于测量石英晶体谐振频率的测频采集模块，该测频采集模块设置于装料架上，且与所述计算机控制系统电连接；

一用于检测石英晶体位置的在线位置检测模块，该在线位置检测模块设置于装料架上方，且与所述计算机控制系统电连接；

一超快激光器，该超快激光器通过一X/Y轴扫描振镜将产生的激光投射于石英晶体进行刻蚀，且该超快激光器与所述计算机控制系统电连接；

以及一将待加工的石英晶体组传送到加工位置并能在Z轴上下移动的自动上料机构，该自动上料机构与所述计算机控制系统电连接。

进一步地，所述超快激光器是能实现材料无选择性加工的脉冲宽度为皮秒或飞秒的激光器。

进一步地，所述自动上料机构包括：料斗、振动机构、输送料道、插料机械手以及用于控制装料架进行Z轴上下移动的Z轴移动机构，所述料斗设于振动机构上，输送料道设置于料斗的侧下方，插料机械手用于实现将一组待加工石英晶体插入所述装料架，Z轴移动机构能驱动装料架实现上下移动。

本发明要解决的技术问题之二，在于提供一种利用超快激光进行石英晶体调频的方法。

本发明的技术问题之二是这样实现的：一种利用超快激光进行石英晶体调频的方法，该方法为通过超快激光器发出的具有材料无选择性的超快激光，对石英晶体表面镀银层，以及石英晶体镀银层下的石英材料进行刻蚀，来提高刻蚀所去掉的晶体表面重量，从而实现大范围高精度调频的目的。

进一步地，该方法具体为：提供一种石英晶体调频设备，该设备包括用于放置待加工石英晶体组的装料架、计算机控制系统、测频采集模块、在线位置检测模块、超快激光器、X/Y轴扫描振镜以及自动上料机构；通过自动上料机构将待加工石英晶体组放置于待加工位置上，超快激光器发出激光投射在石英晶体表面上得到圆形光斑，该光斑有一定的直径范围和焦深，通过X/Y轴扫描振镜及自动上料机构控制激光光斑的水平垂直加工位置，激光在石英晶体表面刻蚀出一个预设高度的圆槽；通过超快激光器的材料无选择性及冷加工特性，对石英晶体表面镀银层，以及石英晶体镀银层下的石英材料进行刻蚀；所述测频采集模块精确测出正在加工的石英晶体谐振频率，获得需调整的频率差；在线位置检测模块通过机器视觉定位方法对待加工石英晶体的位置进行测量，来指引激光加工的位置；计算机控制系统根据待调整石英晶体的频率差，通过改变刻蚀圆槽的数量与高度位置、前后两次圆槽中心的水平垂直步进距离及每个圆槽对应的调整大小量，使超快激光器发出激光进行多点多层刻蚀打槽的方式对石英晶体进行频率微调。

进一步地，所述超快激光器是能实现材料无选择性加工的脉冲宽度为皮秒或飞秒的激光器。

进一步地，所述自动上料机构包括：料斗、振动机构、输送料道、插料机械手以及用于控制装料架进行Z轴上下移动的Z轴移动机构，所述料斗设于振动机构上，输送料道设置于料斗的侧下方，插料机械手用于实现将一组待加工石英晶体插入所述装料架，Z轴移动机构能驱动装料架实现上下移动。

进一步地，刻蚀的圆槽体积、两次圆槽中心点的X/Y轴及Z轴步进距离以及每个圆槽对应的调整材料及大小量决定了石英晶体频率调整的精确度；被刻蚀掉的镀银层和镀银层下的石英材料质量总和决定了石英晶体频率调整的范围。

进一步地，所述获得需调整的频率差为：测频采集模块测出此时石英晶体谐振频率，与石英晶体调频设备设定的频率阈值进行比较得到的；当圆槽的调整大小量小于一个单位的圆槽的大小时，通过减小相邻圆槽的水平距离或垂直距离来缩小对石英晶体的刻蚀量。

本发明具有如下优点：1.脉冲持续时间只有几个皮秒或飞秒的超快激光具有极高的峰值功率，具有极高的电场强度，足以使石英晶体及表面镀银层发生电离，对石英晶体表面镀银层，以及石英晶体镀银层下的石英材料进行刻蚀，从而实现大范围频率精细调整；

2.采用本发明可以实现上架后的待加工石英晶体一次过程完成调频指标，无需分次进行频率粗调与微调多道工序，可以提高生产效率；

3.超快激光加工是一种冷加工方法，其热影响区域小，无材料损伤，无微裂纹，无熔融区域，无重铸层，无飞溅物及毛刺，故加工后成品频率稳定性好；

4.超快激光的冷加工效应可以减少谐振频率温度漂移特性，从而提高加工实时测量精度，故成品频率离散性好。

附图说明

图1为本发明的原理结构示意图。

图2为本发明中水平相邻圆槽的孔距与圆槽的调整大小量的关系示意图。

图3为本发明为石英晶体调频设备初始化的流程示意图。

图4为本发明对石英晶体加工的流程示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明的一种利用超快激光进行石英晶体调频的设备，包括用于放置待加工石英晶体组的装料架1和计算机控制系统2，该设备还包括一用于测量石英晶体谐振频率的测频采集模块3，该测频采集模块3设置于装料架1上，且与所述计算机控制系统2电连接；

一用于检测石英晶体位置的在线位置检测模块4，该在线位置检测模块4设置于装料架1上方，且与所述计算机控制系统2电连接；

一超快激光器5，该超快激光器5通过一X/Y轴扫描振镜6将产生的激光投射于石英晶体进行刻蚀，且该超快激光器5与所述计算机控制系统2电连接；

以及一将待加工的石英晶体组传送到加工位置并能在Z轴上下移动的自动上料机构7，该自动上料机构7与所述计算机控制系统2电连接。

在本发明中，所述超快激光器5是能实现材料无选择性加工的脉冲宽度为皮秒或飞秒的激光器。所述自动上料机构包括：料斗、振动机构、输送料道、插料机械手以及用于控制装料架进行Z轴上下移动的Z轴移动机构，所述料斗设于振动机构上，输送料道设置于料斗的侧下方，插料机械手用于实现将一组待加工石英晶体插入所述装料架，Z轴移动机构能驱动装料架实现上下移动。

其中，根据Sauerbrey方程，该方程指出石英晶体谐振频率与晶体表面附着物质质量的变化呈反向比例关系。超快激光器所发出的超快激光投射在石英晶体表面上的圆形光斑有一定的直径范围，并有一定的焦深，从而在石英晶体表面刻蚀出一个圆槽，该圆槽为小圆槽，该圆槽体积决定了一次位置激光刻蚀所能去除的材料质量，从而决定一次位置的频率调整量。

其测频采集模块可以精确测出正在加工的石英晶体谐振频率，从而计算出需调整的频率差。根据频率差，通过改变小圆槽数量及前后两次圆槽中心X/Y轴或Z轴步进距离，从而实现不同的频率调整量。

在线位置检测模块通过机器视觉定位方法实现对待加工石英晶体模组位置的精确测量，从而指引激光加工位置，实现快速精确调频。

计算机控制系统用于实现对以上各模块的智能综合控制。具体调整方案是根据待调整晶片的频差与每个小圆槽对应的调整大小量，通过超快激光多点多层刻蚀打槽的方式可以进行频率微调。当圆槽的调整大小量小于一个单位的圆槽的大小时，通过减小相邻圆槽的水平距或垂直距来缩小对石英晶体的刻蚀量。

请参阅图1至图4所示，本发明的一种利用超快激光进行石英晶体调频的方法，该方法为通过超快激光器发出的具有材料无选择性的超快激光，对石英晶体表面镀银层，以及石英晶体镀银层下的石英材料进行刻蚀，来提高刻蚀所去掉的晶体表面重量，从而实现大范围高精度调频的目的；具体为：提供一石英晶体调频设备，该设备包括用于放置待加工石英晶体组的机架、计算机控制系统、测频采集模块、在线位置检测模块、超快激光器、X/Y轴扫描振镜以及自动上料机构，通过自动上料机构将石英晶体组放置于装料架上，超快激光器发出激光投射在石英晶体表面上得到圆形光斑，该光斑有一定的直径范围和焦深，通过X/Y轴扫描振镜及自动上料机构控制激光光斑的水平垂直加工位置，激光在石英晶体表面刻蚀出一圆槽；该圆槽体积决定了一次位置激光刻蚀所能去除的材料质量，从而决定一次位置的频率调整量，达到频率调整的目的。通过超快激光器的材料无选择性及冷加工特性，不仅可以对石英晶体表面镀银层，而且可以对石英晶体镀银层下的石英材料进行刻蚀；从而实现频率精确调整，且大范围地进行调频。所述测频采集模块精确测出正在加工的石英晶体谐振频率，获得需调整的频率差；在线位置检测模块通过机器视觉定位方法(该机器视觉定位方法是已公开的一种定位方法，主要采用工业相机和镜头来采集图片进行定位，在此就不对其进行详细描述)对待加工石英晶体的位置进行测量，来指引激光加工的位置，实现快速精确调频，减少激光加工行程，提高加工效率。计算机控制系统用于实现对以上各模块的智能综合控制，其能根据待调整石英晶体的频率差，通过改变刻蚀圆槽的数量与高度位置、、前后两次圆槽中心的水平垂直步进距离及每个圆槽对应的调整大小量，使超快激光器发出激光进行多点多层刻蚀打槽的方式对石英晶体进行频率微调。

其中，所述超快激光器是能实现材料无选择性加工的脉冲宽度为皮秒或飞秒的激光器。所述自动上料机构包括：料斗、振动机构、输送料道、插料机械手以及用于控制装料架进行Z轴上下移动的Z轴移动机构，所述料斗设于振动机构上，输送料道设置于料斗的侧下方，插料机械手用于实现将一组待加工石英晶体插入所述装料架，Z轴移动机构能驱动装料架实现上下移动。

在本发明中，刻蚀的圆槽体积、两次圆槽中心点的X/Y轴及Z轴步进距离以及每个圆槽对应的调整材料及大小量决定了石英晶体频率调整的精确度。被刻蚀掉的镀银层和镀银层下的石英材料质量总和决定了石英晶体频率调整的范围。

所述获得需调整的频率差为测频采集模块测出此时石英晶体谐振频率，与石英晶体调频设备设定的频率阈值进行比较得到的；当圆槽的调整大小量小于一个单位的圆槽的大小时，通过减小相邻圆槽的水平垂直距来缩小对石英晶体的刻蚀量。对石英晶体材料的高精度去除可通过光斑的移动，以及前后两次光斑的不同重叠范围来控制。如图2所示，为本发明中水平相邻圆槽的孔距与圆槽的调整大小量的关系示意图。图中，每个圆形槽为一个单位的圆槽的大小，y1、x1为圆槽的调整大小量为正常的一个单位圆槽时，相邻圆槽的孔距；当圆槽的调整大小量小于一个单位的圆槽的大小时，要减小相邻圆槽的孔距来缩小对石英晶体的刻蚀量，如x2、y2的孔距，该孔距就是缩小后，这时前后两次光斑的出现重叠范围，该重叠的部分就不用进行刻蚀了。其中，垂直相邻的圆槽调整方法原理与水平调整方法相类似。

如图3和图4所示，在对石英晶体加工时，要设备的模块进行初始化，即计算机控制系统、测频采集模块、在线位置检测模块、超快激光器进行初始化，通过在线位置检测模块获取各石英晶体的位置，通过测频采集模块获取各晶体此时要调整的频率差，启动设备的加工时间片，在加工时间片内对任意一路晶体进行调频加工，并对加工时间片进行累计计数，判断设备加工是否超时？是，则设备本路加工异常结束，通过计算机控制系统发出读下一路命令，继续加工其他路晶体；否，则判断石英晶体频率是否稳定？是，则完成石英晶体的加工；否，则判断石英晶体频率是否合格？是，则设备本路加工已完成，通过计算机控制系统发出读下一路命令，继续加工直到所述加工时间片结束；否，则计算机控制系统发出读下一路命令，根据获取的频率差，改变相邻两次加工的X/Y轴或Z轴步进距离从而实现粗、细、微调频率加工；设置后并指定刻蚀圆槽的数量对石英晶体进行调频，直至到所述加工时间片结束后完成。

总之，本发明通过超快激光器对石英晶体表面镀银层及镀银层下的石英晶体材料进行刻蚀以改变石英晶体表面质量，同时能减少重铸层及微裂纹效应，从而实现对石英晶体频率的大范围精确调频，从而提高晶体成品频率稳定性。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是熟悉本技术领域的技术人员应当理解，我们所描述的具体的实施例只是说明性的，而不是用于对本发明的范围的限定，熟悉本领域的技术人员在依照本发明的思想所作的等效的修饰以及变化，都应当涵盖在本发明的权利要求所保护的范围内。

Claims (5)

1.一种利用超快激光进行石英晶体调频的设备，包括用于放置待加工石英晶体组的装料架和计算机控制系统，其特征在于：该设备还包括一用于测量石英晶体谐振频率的测频采集模块，该测频采集模块设置于装料架上，且与所述计算机控制系统电连接；

一用于检测石英晶体位置的在线位置检测模块，该在线位置检测模块设置于装料架上方，且与所述计算机控制系统电连接；

一超快激光器，该超快激光器通过一X/Y轴扫描振镜将产生的激光投射于石英晶体进行刻蚀，且该超快激光器与所述计算机控制系统电连接；

以及一将待加工的石英晶体组传送到加工位置并能在Z轴上下移动的自动上料机构，该自动上料机构与所述计算机控制系统电连接；所述超快激光器是能实现材料无选择性加工的脉冲宽度为皮秒或飞秒的激光器；所述自动上料机构包括：料斗、振动机构、输送料道、插料机械手以及用于控制装料架进行Z轴上下移动的Z轴移动机构，所述料斗设于振动机构上，输送料道设置于料斗的侧下方，插料机械手用于实现将一组待加工石英晶体插入所述装料架，Z轴移动机构能驱动装料架实现上下移动。

2.一种利用超快激光进行石英晶体调频的方法，其特征在于：该方法为通过超快激光器发出的具有材料无选择性的超快激光，对石英晶体表面镀银层，以及石英晶体镀银层下的石英材料进行刻蚀，来提高刻蚀所去掉的晶体表面重量，从而实现大范围高精度调频的目的；所述超快激光器是能实现材料无选择性加工的脉冲宽度为皮秒或飞秒的激光器；该方法具体为：提供一种石英晶体调频设备，该设备包括用于放置待加工石英晶体组的装料架、计算机控制系统、测频采集模块、在线位置检测模块、超快激光器、X/Y轴扫描振镜以及自动上料机构；通过自动上料机构将待加工石英晶体组放置于待加工位置上，超快激光器发出激光投射在石英晶体表面上得到圆形光斑，该光斑有一定的直径范围和焦深，通过X/Y轴扫描振镜及自动上料机构控制激光光斑的水平垂直加工位置，激光在石英晶体表面刻蚀出一个预设高度的圆槽；通过超快激光器的材料无选择性及冷加工特性，对石英晶体表面镀银层，以及石英晶体镀银层下的石英材料进行刻蚀；所述测频采集模块精确测出正在加工的石英晶体谐振频率，获得需调整的频率差；在线位置检测模块通过机器视觉定位方法对待加工石英晶体的位置进行测量，来指引激光加工的位置；计算机控制系统根据待调整石英晶体的频率差，通过改变刻蚀圆槽的数量与高度位置、前后两次圆槽中心的水平垂直步进距离及每个圆槽对应的调整大小量，使超快激光器发出激光进行多点多层刻蚀打槽的方式对石英晶体进行频率微调。

3.根据权利要求2所述的一种利用超快激光进行石英晶体调频的方法，其特征在于：所述自动上料机构包括：料斗、振动机构、输送料道、插料机械手以及用于控制装料架进行Z轴上下移动的Z轴移动机构，所述料斗设于振动机构上，输送料道设置于料斗的侧下方，插料机械手用于实现将一组待加工石英晶体插入所述装料架，Z轴移动机构能驱动装料架实现上下移动。

4.根据权利要求2所述的一种利用超快激光进行石英晶体调频的方法，其特征在于：刻蚀的圆槽体积、两次圆槽中心点的X/Y轴及Z轴步进距离以及每个圆槽对应的调整材料及大小量决定了石英晶体频率调整的精确度；被刻蚀掉的镀银层和镀银层下的石英材料质量总和决定了石英晶体频率调整的范围。

5.根据权利要求2所述的一种利用超快激光进行石英晶体调频的方法，其特征在于：所述获得需调整的频率差为：测频采集模块测出此时石英晶体谐振频率，与石英晶体调频设备设定的频率阈值进行比较得到的；当圆槽的调整大小量小于一个单位的圆槽的大小时，通过减小相邻圆槽的水平距离或垂直距离来缩小对石英晶体的刻蚀量。