CN111404507B - 一种采用条形补偿膜应力补偿的晶体谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及晶体谐振器，特别是一种采用条形补偿膜应力补偿的晶体谐振器,其特征是：至少包括：晶体，所述的晶体为圆片形；与圆片形晶体同心且小于圆片形晶体的直径有一中心电极，中心电极镀膜在晶体的上下表面上；沿晶体的直径方向在中心电极的两侧有延伸层；两侧的延伸层各延伸至一个扇形面，扇形面的中心线与延伸层中心线重合；在中心电极上有补偿膜，补偿膜为长方形，补偿膜的长度方向与延伸层中心线垂直；长方形补偿膜长度方向与晶体片x轴方向一致。它提供了一种结构简单、体积更小、功耗更低、稳定度更高、成本较低的采用条形补偿膜应力补偿晶体谐振器。
Description
技术领域
本发明涉及晶体谐振器，特别是一种采用条形补偿膜应力补偿的晶体谐振器。
背景技术
晶体谐振器是一种被广泛应用的频率源器件，由于其成本低、稳定度高的特点被大量应用于通信、导航、医疗、国防等众多领域。随着通信事业的进一步发展，对高稳定度晶体谐振器需求开始慢慢扩大。与此同时，对于晶体谐振器的性能指标也有了更高的要求，人们希望得到体积更小、功耗更低、稳定度更高、成本较低的频率源器件。现有的芯片钟和MEMS振荡器，虽然在稳定度方面较传统晶体振荡器要好一些，但是其成本相对较高，且不易于大规模、流程化生产。因此，市面上目前使用最多的频率源依然是晶体振荡器。而高稳晶振通常是使用温度补偿晶体振荡器。现有的温度补偿晶体振荡提高频率稳定度的方法主要是对外围补偿网络进行修改，用补偿电压对原始频率信号进行频率补偿。根据补偿方式的不同可以分为模拟、数字和微机补偿三种方式。虽然三种补偿方式可以将频率稳定度在-50℃～+85℃范围内维持在±0.5ppm～±1ppm范围内，即使频率稳定度达到10-7量级以上，但是由于这三种处理方式都是用外围补偿网络进行频率补偿，因此补偿网络内部原器件的大小和整体体积限制了温度补偿晶体振荡器向更加小型化的方向发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种结构简单、体积更小、功耗更低、稳定度更高、成本较低的采用条形补偿膜应力补偿晶体谐振器。
本发明的目的是这样实现的，一种采用条形补偿膜应力补偿的晶体谐振器，其特征是：至少包括：晶体，所述的晶体为圆片形；与圆片形晶体同心且小于圆片形晶体的直径有一中心电极，中心电极镀膜在晶体的上下表面上；沿晶体的直径方向在中心电极的两侧有延伸层；两侧的延伸层各延伸至一个扇形面，扇形面的中心线与延伸层中心线重合；在中心电极上有补偿膜，补偿膜为长方形，补偿膜的长度方向与延伸层中心线垂直；长方形补偿膜长度方向与晶体片x轴方向一致；根据晶体的力频特性，当对中心电极在x轴方向施加压力作用时，会使晶体的频率被抬升，向上偏离标称频率；当对中心电极的x轴方向施加拉力时，会使晶体的频率被拉低，向下频移标称频率；并且当这个作用力越大时，造成的频率偏移量越大，力的大小和频率偏移量成正比关系；因此，当温度升高且高于室温时，由于补偿膜的热膨胀系数比中心电极的大，所以此时补偿膜的膨胀幅度要比中心电极的大，同理当温度低于室温时，补偿膜的收缩幅度大于中心电极的幅度。
所述的条形补偿膜的对角线长度小于中心电极的直径。
所述的补偿膜两个对角线的交点在中心电极和补偿膜中心上。
所述的延伸层宽度小于扇形面内侧弧长。
所述的中心电极的直径小于晶体的直径的1/2。
所述的长方形补偿膜长度方向与两个扇形面的中心线垂直。
所述的中心电极和补偿膜采用两种不同的材料，补偿膜的热膨胀系数大于中心电极的热膨胀系数。
所述的补偿膜的材料是银，中心电极材料是金。
所述的补偿膜附着于中心电极上。
所述的补偿膜镀在晶体的中心区域。
本发明的原理及优点是：通过晶体在应力作用下频率会发生偏移这一现象来补偿晶体在实际工作当中由于温度影响造成的频率偏移，其思想和外围电路采用补偿电压的方式类似。其结构采用双层金属电极的方式，在传统电极的基础上，在其中心电极的x轴方向加镀一根其他材料的条形补偿膜。该条形补偿膜上下对称，条形膜中心和原电极中心重合。中心电极有两边延伸层，两边延伸层为对称结构，两边延伸层至晶体边沿，两边延伸层至晶体边沿形成两个扇形面，两个扇形面中心线与两边延伸层中心线重合。
补偿膜材料与中心电极材料是热膨胀系数有较大差异的两种金属材料。并且要求补偿膜材料的热膨胀系数要比中心电极区域的热膨胀系数大。当外界温度发生变化时，这两种材料都会发生膨胀变形现象。但由于两者相互粘合，且膨胀系数有较大差异，所以两者在相同温度下发生热膨胀的程度不同。此时两者之间就会发生相互挤压的作用力，这种镀膜方式可以作为补偿膜对中心电极施加作用力的一个方式。且温度和室温差距越大，这个作用力的大小也会相应的增大。这样就可以运用晶体的力-频特性，将晶体随温度产生的频率漂移在-50℃~+85℃范围内通过应力对频率的补偿效果拉回来，使得温频特性曲线尽量平缓。
附图说明
下面结合实施例附图对本发明作进一步说明：
图1是本发明实施条形补偿膜的应力补偿晶体片；
图2是补偿膜和中心电极热胀冷缩示意图；
图3是补偿膜对中心电极的应力分布；
图4是中心电极受补偿膜应力作用的形变；
图5是中心电极受等效作用力的形变；
图6是应力补偿温频特性效果示意图；
图7是应力补偿晶体谐振器生产流程。
图中，1、晶体；2、中心电极；3、延伸层；4、扇形面；5、两个扇形面的中心线；6、补偿膜；7、中心电极和补偿膜中心。
具体实施方式
如图1所示，一种采用条形补偿膜应力补偿的晶体谐振器，其特征是：至少包括：晶体1，所述的晶体1为圆片形，与圆片形晶体1同心，且小于圆片形晶体1的直径有一中心电极2，中心电极2镀膜在晶体1的一个面上，沿晶体1的直径方向在中心电极2的两侧有延伸层3，两侧的延伸层3各延伸至一个扇形面4，扇形面4的中心线5与延伸层3中心线重合；在中心电极上有补偿膜6，补偿膜6为长方形，补偿膜6的长方形方向与延伸层3中心线垂直。
所述的长方形补偿膜6的长方形对角线长度小于中心电极的直径。
所述的补偿膜6两个对角线的交点在中心电极和补偿膜中心7上。
所述的延伸层宽度小于扇形面内侧弧长。
所述的中心电极2的直径小于晶体1的直径1/2。
所述的长方形补偿膜6长度方向与两个扇形面的中心线垂直。
如图2所示，为了说明本发明有必要做如下的定义，长方形补偿膜6的长度方向与晶体的x轴方向一致：根据晶体的力频特性，当对中心电极2在x轴方向施加压力作用时，会使晶体的频率被抬升，向上偏离标称频率。当对中心电极2的x轴方向施加拉力时，会使晶体的频率被拉低，向下频移标称频率；并且当这个作用力越大时，造成的频率偏移量越大，力的大小和频率偏移量成正比关系；因此，当温度升高且高于室温时，由于补偿膜的热膨胀系数比中心电极2的大，所以此时补偿膜的膨胀幅度要比中心电极的大，同理当温度低于室温时，补偿膜6的收缩幅度大于中心电极2的幅度。
所述的中心电极2和补偿膜6采用两种不同的材料，补偿膜6的热膨胀系数大于中心电极2的热膨胀系数。使得中心电极2和补偿膜6的热膨胀系数有较大差距。这样在外界温度改变时才会发生如图2所叙述的膨胀情况。并且补偿膜6的材料是银，中心电极2材料是金，金材料中心电极2比银的化学性质更加稳定，用金作中心电极可以使晶体的标频更加稳定，防止由于氧化对晶体频率造成的影响。
补偿膜6为长方形，补偿膜6与延伸层3中心线垂直，使得补偿膜在x轴方向和中心电极2具有更多的接触区域，使的补偿膜6在x轴方向上对中心电极2产生的合力更大。同理，补偿膜6两端长度较短，那么此时在这个方向上的接触面积相对较小，可以减弱其他方向上的补偿力对晶片频率造成不希望的拉动效果，其对中心电极2的所用力如图3所示。
所述的补偿膜6镀在晶体1的中心区域。因为电极的厚度剪切振动主要是集中在晶体的中心区域，越往边缘靠近，边缘的振动幅度越小。因此当补偿膜镀在中心电极区域时，其对中心电极的作用力更加直接和集中。这个作用力能够更好的传递到中心电极区域，使的中心电极的受力情况更加明显。这样可以更好的运用这个力的作用来补偿晶体的温频特性。
在晶体的工作环境温度发生改变时，中心电极同补偿膜同时发生热胀冷缩现象。由于此时中心电极2和补偿膜3之间是相互粘合的，此时两者的不同形变会在两者接触的区域产生力的作用，从而中心电极2的膨胀效果就会从如图4所示的受力前情况变化为如图4所示的受力后情况。因此，要想使中心电极2达到同样程度的形变程度，可以等效为在x轴方向给中心电极2施加了一个拉力的作用效果，如图5所示。
根据晶体力频特性可知，当外部作用力沿x轴方向且对中心电极2而言是压力作用时，晶振的频率被拉高；而当力沿x轴方向且对中心电极2而言是拉力作用时，晶振的频率被拉低。且频率的拉动大小和力的大小成正比。因此晶振在高于室温的情况下，相当于受到一个条形补偿膜施加给它的等效的外部拉力作用，此时频率被拉低。而处于低于室温的情况下时，相当于受到条形膜施加给它的等效的外部压力作用。这个等效力的作用，可以使AT切型晶体的温频特性更加平缓。其补偿效果如图6所示。
本发明对于现有晶体谐振器生产工艺而言具有很好的兼容效果。只需在现有生产工艺当中进行微小的调节，即可制作条形补偿膜的应力补偿效果。并且在进行条形膜的蒸镀流程时无需取下原有中心电极的掩膜板，直接在原有掩膜板上加装条形膜掩膜板，即可开始补偿膜的蒸镀流程图。其生产工艺流程图如图7所示。
本实施例没有详细叙述的部件和结构属本行业的公知部件和常用结构或常用手段，这里不一一叙述。
Claims (5)
1.一种采用条形补偿膜应力补偿的晶体谐振器，其特征是：至少包括：晶体(1)，所述的晶体(1)为圆片形；与圆片形晶体(1)同心且小于圆片形晶体(1)的直径有一中心电极(2)，中心电极(2)镀膜在晶体(1)的上下表面上；沿晶体(1)的直径方向在中心电极(2)的两侧有延伸层(3)；两侧的延伸层(3)各延伸至一个扇形面(4)，扇形面的中心线(5)与延伸层(3)中心线重合；在中心电极上有补偿膜(6)，补偿膜(6)为长方形，补偿膜(6)的长度方向与延伸层(3)中心线垂直；长方形补偿膜(6)长度方向定义为x轴；根据晶体的力频特性，当对中心电极(2)在x轴方向施加压力作用时，会使晶体的频率被抬升，向上偏离标称频率；当对中心电极(2)的x轴方向施加拉力时，会使晶体的频率被拉低，向下频移标称频率；并且当这个作用力越大时，造成的频率偏移量越大，力的大小和频率偏移量成正比关系；因此，当温度升高且高于室温时，由于补偿膜(6)的热膨胀系数比中心电极(2)的大，所以此时补偿膜(6)的膨胀幅度要比中心电极的大，同理当温度低于室温时，补偿膜(6)的收缩幅度大于中心电极(2)的幅度；所述的长方形补偿膜(6)的对角线长度小于中心电极的直径；所述的补偿膜(6)两个对角线的交点在中心电极和补偿膜中心(7)上；所述的补偿膜(6)的材料是银，中心电极(2)材料是金；所述的补偿膜(6)附着于中心电极(2)上；所述的补偿膜(6)镀在晶体(1)的中心区域。
2.根据权利要求1所述的一种采用条形补偿膜应力补偿的晶体谐振器，其特征是：所述的延伸层(3)宽度小于扇形面(4)内侧弧长。
3.根据权利要求1所述的一种采用条形补偿膜应力补偿的晶体谐振器，其特征是：所述的中心电极(2)的直径小于晶体(1)的直径的1/2。
4.根据权利要求1所述的一种采用条形补偿膜应力补偿的晶体谐振器，其特征是：所述的长方形补偿膜(6)长度方向与两个扇形面(4)的中心线垂直。
5.根据权利要求1所述的一种采用条形补偿膜应力补偿的晶体谐振器，其特征是：所述的中心电极(2)和补偿膜(6)采用两种不同的金属材料，补偿膜(6)的热膨胀系数大于中心电极(2)的热膨胀系数。
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