CN110299896B - 一种石英晶体振荡器切割方法 - Google Patents

一种石英晶体振荡器切割方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石英晶体振荡器切割方法，该切割方法包含如下步骤：获取石英晶体晶棒的芯片轴；基于所述芯片轴，测量晶棒的角度，并根据测量角度进行定角；根据定角角度，采用AT切割方式对晶棒进行切割；将AT切割方式切割获得的大方片以Z轴作为长边进行轴向反切，完成石英晶体晶棒的切割。本发明方法通过Z‑elongated(长边为Z轴)改变Z轴尺寸，使得沿Z轴振动的面剪切振动强衰减，从而抑制面剪切振动与厚度剪切振动产生谐振，从而改善产品在不同温度下的TC(温度特性曲线)表现，减少了大量的耦合振动。

Description

一种石英晶体振荡器切割方法
技术领域
本发明涉及晶体切割技术领域，特别是一种石英晶体振荡器切割方法。
背景技术
石英晶体振荡器业界因尺寸设计限制导致温度特性曲线(TC)无法绕开共振模态谐振点，从而当产品长期使用于高低温交替之较严苛环境，将会出现温度特性曲线跳点(TC-jump)现象，如此将造成产品使用过程中出现信号中断以及无法传输讯号等问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种石英晶体振荡器切割方法，抑制面剪切振动与厚度剪切振动产生谐振，从而改善或者至少部分改善产品在不同温度下的TC表现。
本发明的目的是通过这样的方案实现的一种石英晶体振荡器切割方法，该切割方法包含如下步骤：
获取石英晶体晶棒的芯片轴；
基于所述芯片轴测量晶棒的角度，并根据测量角度进行定角；
根据定角角度，采用AT切割方式对晶棒进行切割；
将AT切割方式切割获得的大方片以Z轴作为长边进行轴向反切，完成石英晶体晶棒的切割。
可选的，所述石英晶体晶棒为40Mhz系列或者48Mhz系列石英体晶棒。
可选的，获取石英晶体晶棒的芯片轴，包含：
根据石英晶体晶棒的自然面大小判断出晶棒的芯片轴，其中所述芯片轴包含电气轴为X轴，机械轴为Y轴，光学轴为Z轴。
可选的，测量晶棒的角度，包含：采用X射线来测量晶棒的角度，包括：
校准晶棒角度测量仪器，并将晶棒放置于测量仪器支架上；
根据所需切型获取反射角，并根据所述反射角调整所述测量仪器的计数管至指定位置；
打开所述测量仪器的X射线，旋转支架，在所述计数管的示数最大时记下度盘第一示数；
再次旋转支架，采用X射线进行测量记下度盘第二示数；
基于所述第一示数和所述第二示数进行误差修正后获得测量角度。
可选的，所述采用AT切割方式对晶棒进行切割，包括：
获取晶棒的测量基准原子面；
根据芯片的设计切型角计算所述测量基准原子面与切割面之间的切割夹角；
基于所述切割夹角对所述晶棒进行切割。
可选的，获取石英晶体晶棒的芯片轴之后，该方法还包含：
计算长边为Z轴的常温电阻电性：
Figure BDA0002120150540000021
其中，Z表示阻抗，f表示频率，C0表示静态电容，满足：
Figure BDA0002120150540000022
其中，n表示表面单位矢量，t表示芯片厚度，ρ表示石英晶体密度，c′66表示刚性弹性模量，满足：
Figure BDA0002120150540000023
其中，C44、C66、C14分别表示刚性弹性模量分量，
Figure BDA0002120150540000024
表示切割角；
比较长边为Z轴与长边为X轴的常温电阻电性，对Z轴与长边的切割方式进行评估。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
本发明方法通过长边为Z轴(Z-elongated)改变Z轴尺寸，使得沿Z轴振动的面剪切振动强衰减，从而抑制面剪切振动与厚度剪切振动产生谐振，从而改善产品在不同温度下的TC表现，减少了大量的耦合振动。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明方法切割示意图；
图2为本发明石英晶体晶棒的芯片轴示意图；
图3为切割角度示意图；
图4为切割方向示意图；
图5a、5b分别为芯片轴向反切示意图；
图6为振动频率随几何参数改变的趋势图；
图7为弯曲振荡的波传方向示意图；
图8为Z轴的模式图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种石英晶体振荡器切割方法，该方法包含如下步骤：
S1：获取石英晶体晶棒的芯片轴；
S2：基于所述芯片轴测量晶棒的角度，并根据测量角度进行定角；
S3：根据定角角度，采用AT切割方式对晶棒进行切割；
S4：将AT切割方式切割获得的大方片以Z轴作为长边进行轴向反切，完成石英晶体晶棒的切割。
如图1所示，本发明方法的将AT切割方式切割获得的大方片以Z轴作为长边进行轴向反切，从而防止产品使用环境受外界条件的影响的作用。
切割轴向由X-elongated(长边为X轴)改为Z-elongated(长边为Z轴)，拉长Z轴，减小X轴，从而抑制面剪切振动与厚度剪切振动的耦合谐振，进而达到改善产品TC-jump的效果。
可选的，所述石英晶体晶棒为40Mhz系列或者48Mhz系列石英体晶棒。
可选的，S1：获取石英晶体晶棒的芯片轴，包含：
根据石英晶体晶棒的自然面大小判断出晶棒的芯片轴，其中所述芯片轴包含电气轴为X轴，机械轴为Y轴，光学轴为Z轴。
具体的说，石英晶体晶棒有X、Y、Z三个不同的芯片轴，每一芯片轴皆有其特性，本发明实施例中X轴为电气轴，Y轴为机械轴，Z轴为光学轴。为了能切割出所需切割类型的芯片，就必须能分辨石英的X、Y、Z轴。如图2所示，有两个斜边，称自然面，左边较小的称小R面，右边较大的称大R面。若大R面在右，如图2所示，则上面为+X轴，下面为-X轴，左右为Z轴，前后为Y轴。
分辨出晶棒各轴向后，通过X光来测量晶棒的角度，按照设定的角度进行角度定角，如图3所示，定角完成后按照设定角度进行切割，切割及切割角度如图4所示。
具体的说，在本实施例中，如图3所示，晶棒角度测量是通过X射线的布拉格衍射现象进行测量，包括：
S21：校准晶棒角度测量仪器，并将晶棒放置于测量仪器支架上；
S22：根据所需切型获取反射角，并根据所述反射角调整所述测量仪器的计数管至指定位置，具体的说，根据所需切型查询获取反射角θ，并根据所述反射角θ调整所述测量仪器的计数管至2θ位置；
S23：打开所述测量仪器的X射线，旋转支架，在所述计数管的示数最大时记下度盘第一示数g1；
S24：再次旋转支架，采用X射线进行测量记下度盘第二示数，具体的说，再次旋转支架以使芯片倒转180°，采用X射线进行测量记下度盘第二示数，后重复上述步骤，记录读数g2；
S25：基于所述第一示数g1和所述第二示数g2进行误差修正后获得测量角度。
可选的，本实施例中，所述采用AT切割方式对晶棒进行切割，如图4所示，包括：
S31：获取晶棒的测量基准原子面；
S32：根据芯片的设计切型角计算所述测量基准原子面与切割面之间的切割夹角；
S33：基于所述切割夹角对所述晶棒进行切割。
具体的说，在本实施例中，
S31：通过查表得知某系列晶棒的测量基准原子面为011，原子面与光轴夹角α，反射角θ；
S32：依据芯片设计切型角ψ计算出原子面与芯片切割面的夹角δ；
S33：依据切割面的夹角δ进行切割。
如图5a，5b所示，对定角AT切割完成后的大方片再进行轴向反切，轴向反切是基于AT切割之后的大方片的X与Z轴进行尺寸交换切割，以完成石英晶体晶棒的切割。
可选的，在本实施例中，获取石英晶体晶棒的芯片轴之后，该方法还包含：
计算长边为Z轴的常温电阻电性：
Figure BDA0002120150540000041
其中，Z表示阻抗，f表示频率，C0表示静态电容，满足：
Figure BDA0002120150540000051
其中，n表示表面单位矢量，t表示芯片厚度，ρ表示石英晶体密度，c′66表示刚性弹性模量，满足：
Figure BDA0002120150540000052
其中，C44、C66、C14分别表示刚性弹性模量分量，
Figure BDA0002120150540000053
表示切割角；
比较长边为Z轴与长边为X轴的常温电阻电性，对Z轴与长边的切割方式进行评估。
具体的说，如图6所示，X轴向弯曲振荡的波传方向，原有长边为X轴(X-elongated)的弯曲振荡在电极区外仍不衰减，造成点胶(Mounting)处会有衰减及反射。以本发明方法Z-elongated方式进行切割的芯片可使X轴无束缚，减少X轴向之弯曲振荡损失。
计算Z-elongated的常温电阻电性：
Figure BDA0002120150540000054
其中，Z表示阻抗，f表示频率，C0表示静态电容，满足：
Figure BDA0002120150540000055
其中，n表示表面单位矢量，t表示芯片厚度，ρ表示石英晶体密度，c′66表示刚性弹性模量，满足：
Figure BDA0002120150540000056
其中，C44、C66、C14分别表示刚性弹性模量分量，
Figure BDA0002120150540000057
表示切割角。
而X-elongated芯片C66＝40.63x109N/m2，Z-elongated芯片C66＝18.09x109N/m2，故Z-elongated芯片常温电阻电性会变大，因此Z轴与长边的切割方式要优于X-elongated的切割方式。
由图7可以看出，在石英晶体几何参数变更的情况下会出现TC-jump点，本发明方法通过Z-elongated改变Z轴尺寸，使得沿Z轴振动的面剪切振动强衰减，从而抑制面剪切振动与厚度剪切振动产生谐振，从而改善产品在不同温度下的TC表现。从图8可以看出厚度剪切振动模态为主要振动模态，减少了大量的耦合振动。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (4)

1.一种石英晶体振荡器切割方法，其特征在于，该切割方法包含如下步骤：
获取石英晶体晶棒的芯片轴；
基于所述芯片轴测量晶棒的角度，并根据测量角度进行定角；
根据定角角度，采用AT切割方式对晶棒进行切割；
将AT切割方式切割获得的大方片以Z轴作为长边进行轴向反切，完成石英晶体晶棒的切割；
获取石英晶体晶棒的芯片轴，包含：
根据石英晶体晶棒的自然面大小判断出晶棒的芯片轴，其中所述芯片轴包含电气轴为X轴，机械轴为Y轴，光学轴为Z轴；
获取石英晶体晶棒的芯片轴之后，该方法还包含：
计算长边为Z轴的常温电阻电性：
Figure FDA0004020331300000011
其中，Z表示阻抗，f表示频率，C0表示静态电容，满足：
Figure FDA0004020331300000012
其中，n表示表面单位矢量，t表示芯片厚度，ρ表示石英晶体密度，c′ 66表示刚性弹性模量，满足：
Figure FDA0004020331300000013
其中，C44、C66、C14分别表示刚性弹性模量分量，
Figure FDA0004020331300000014
表示切割角；
比较长边为Z轴与长边为X轴的常温电阻电性，对Z轴与长边的切割方式进行评估。
2.根据权利要求1所述的切割方法，其特征在于，所述石英晶体晶棒为40Mhz系列或者48Mhz系列石英体晶棒。
3.根据权利要求1所述的切割方法，其特征在于，测量晶棒的角度，包含：采用X射线来测量晶棒的角度，包括：
校准晶棒角度测量仪器，并将晶棒放置于测量仪器支架上；
根据所需切型获取反射角，并根据所述反射角调整所述测量仪器的计数管至指定位置；
打开所述测量仪器的X射线，旋转支架，在所述计数管的示数最大时记下度盘第一示数；
再次旋转支架，采用X射线进行测量记下度盘第二示数；
基于所述第一示数和所述第二示数进行误差修正后获得测量角度。
4.根据权利要求3所述的切割方法，其特征在于，所述采用AT切割方式对晶棒进行切割，包括：
获取晶棒的测量基准原子面；
根据芯片的设计切型角计算所述测量基准原子面与切割面之间的切割夹角；
基于所述切割夹角对所述晶棒进行切割。
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