TWI477072B - 具有熱控制壓電共振器的振盪裝置 - Google Patents

Description

具有熱控制壓電共振器的振盪裝置

本發明係與一種包含一壓電共振單元的小尺寸振盪裝置有關。本發明係與該振盪裝置能夠在常溫條件下維持其壓電共振單元運作的技術特別相關。

在鐘錶、資訊科技、電信通訊、全球訂位系統及醫學領域等諸多領域，小尺寸水晶振盪裝置常作為這些電子儀器的頻率產生器參考基準。

小尺寸水晶振盪裝置通常(但非必要)係為表面黏著裝置。習知的小尺寸表面黏著水晶振盪裝置，包含一表面黏著容器、一壓電共振單元(水晶)，與一連接壓電共振單元以形成振盪迴路的積體電路晶片。該積體電路晶片和該壓電共振單元係排列在密封的容器空腔中。

自該水晶振盪裝置輸出的共振頻率訊號，通常會隨著該共振器的溫度而改變。已有許多方法可以抵消該環境溫度改變而產生的效應。例如，習知的水晶振盪裝置係包含一具有振盪迴路的加熱烘箱，及(或)包含該壓電共振單元。

恆溫槽控制水晶振盪器通常包含一加熱單元，與一具熱控電路並用以控制該加熱單元的溫度感測單元。該熱控電路係控制該供應給該加熱單元的電源，進而達到產生環境溫度之功能。該電源供應量係隨著環境溫度而改變，以使該石英電路和其他關鍵電路維持在一預選固定溫度。該預選固定溫度通常係選定為高於預期環境溫度最大值約十度左右。

該壓電共振單元的共振頻率一般可估計為溫度的平方或是三次方。在頻率對於溫度關係的曲線上，以斜率為零的條件，通常至少可得到一個穩定點。因此，選擇該壓電共振單元時，應選擇該穩定點符合該恆溫槽預選溫度的壓電共振單元。以此方法，該環繞在恆溫槽預選溫度的必然溫度循環，將形成一頻率穩定的邊際效應。

在恆溫槽控制水晶振盪器，該壓電共振單元通常係密封於一盒子中，且該盒子係整個被該加熱單元包覆。該恆溫槽控制水晶振盪器具有良好的溫度特性。然而，它也有耗能極大和加熱時間過長的缺點。編號US 5917272的美國專利已提出一種降低耗能的水晶振盪裝置。

此振盪裝置包含一個以熱導方式包覆一熱導基底的壓電共振單元，以形成複數個高度熱傳導的支援晶片。該些支援晶片具有導電性，亦可用以電性連接該壓電共振單元與該表面基板的該些電導路徑。該些熱導基板也包含一加熱單元，一控制電路，與一溫度感應器。該基板係以一隔熱方式安裝於一密閉套件內部，以熱隔絕該些柱體。又複數條電路導線係排列在該套件中，以連結基板與其複數個外部連接墊。為了限制熱傳導，該些電路導線係由非常精密的線路製成。當該包含該加熱單元與該壓電共振單元以非常理想的狀態隔絕該密閉套件內部時，熱散逸之現象將大幅降低。

然而，該習知的水晶振盪裝置仍存在不少問題。的確，當環境溫度改變時，裝置外部表面的溫度也會改變。此裝置至少有部份包覆在導熱物質中，導致環境溫度的變化傳到內部。

又由於壓電單元直接附在外殼下，有一定量的熱可能自外殼輻射至水晶單元。反之亦然。

再者，該振盪迴路係由外部套件提供。因此，環境溫度之改變得以熱傳導之方式，通過該振盪迴路與該電路導線，最終傳遞至該壓電共振單元的支援晶片上。

環境溫度的變化必定在該控制電路使該加熱單元開始作用前，先到達基板上的溫度感應器。由於該壓電共振單元被該溫度感測單元隔開，因此該兩單元之間的溫度變化並不相同。

這將導致該溫度控制電路在反應前延遲一段時間。再者，一旦開始進行溫度控制，加熱單元將熱傳導到壓電共振單元會花上些許時間。如此，將產生一個風險，即該壓電共振單元的溫度會大量偏離裝置所設定的溫度。以致於無法確保能夠產生真正穩定的振盪。

本發明所揭露的物件係提供了一水晶振盪裝置。該水晶振盪裝置係以一適合於表面黏附技術(SMD)的小尺寸製成。且該水晶振盪裝置具有減少耗能、共振頻率在環境溫度產生變化時更加穩定的優點。

本發明揭露的水晶振盪裝置，包含一個由一空氣密閉盒所形成的真空腔，一壓電共振單元，一振盪迴路，一溫度感測單元，以及一使用於一積體電路晶片中的加熱單元，又該積體電路晶片具有一活性面，其中該壓電共振單元與該振盪迴路相互連接而形成一振盪電路。且該溫度感測單元與該加熱單元係被包含於該壓電共振單元並位於該真空腔中。該壓電共振單元之特徵在於該壓電共振單元係熱導連接於該積體電路晶片中的該活性面，以使該積體電路晶片得支持該壓電共振單元。

此處，該活性面係積體電路晶片裡兩個主要的表面之一，晶片上的電流迴路像是一加熱單元。該些積體電路的終端也形成於該積體電路晶片的活性面，以連結該積體電路晶片。

需進一步解釋的是，該壓電共振單元指的是無覆蓋的石英晶體，而非一個由石英晶體共振單元的外框所包圍形成的單元。

根據本發明，該加熱單元係用於該積體電路晶片中。如此配置的優點在於壓電共振單元和加熱單元位置相近。這特點有助於減少裝置所設定溫度的偏離程度。

根據本發明所揭示的一具體實施例，該振盪迴路係被用於一伴隨有加熱單元的積體電路晶片。該實施例中，該壓電共振裝置係更適合貼覆於該積體電路晶片的主動表面，以形成直接電性連接該振盪迴路。這樣配置得以分配該些電線，以連接該壓電共振單元與該振盪迴路。進而使該熱連接中的熱散逸得以因此降到最少。

根據本發明所揭示的另一具體實施例，該溫度感應單元係用於該伴隨有加熱單元(或許該振盪迴路也是)的積體電路晶片中。該實施例的優點係該溫度感應單元與該壓電共振單元都設置在該加熱單元附近，使得該石英振盪裝置可以對溫度變化進行非常快速的反應。

根據本發明，第1a圖和第1b圖係顯示出一陶瓷外盒1適合將振盪裝置組裝成一體。該說明所示的陶瓷外盒為表面黏附(SMD)型。該陶瓷外盒1有很小的尺寸。舉例來說，此該陶瓷外盒可與標準MCSO尺寸相同。為14毫米長，9毫米寬及3.2毫米厚。更清楚的圖示說明請參閱第1b圖，該陶瓷外盒1帶有四個外部電極(或針頭)3，5，7和9。該些電極係以穿過外盒底板或側板的方式，連接該陶瓷外盒內的水晶振盪裝置至外部迴路(未標出)。該電極3係連接輸入電壓(Vcc)，且該電極9連接接地端(Gnd)。以習知方法，該電極7係連接至一用以控制振盪頻率的控制電壓。最後，該電極5係該水晶振盪裝置的頻率輸出。

第2a圖和第2b圖顯示一壓電共振單元11與其電性連接，但不包含該陶瓷外盒1。在圖示中，該壓電共振單元係以AT裁切(AT-cut)的石英晶體長條。據此發明，該壓電共振單元11係黏附在一積體電路晶片13的一活性面13a，且一加熱單元(未顯示)使用於該積體電路晶片中。本範例中，一振盪迴路與一溫度感測單元也使用於積體電路晶片13。該振盪迴路與該壓電共振單元係彼此連接，以產生一振盪迴路。

以習知方法，該壓電共振單元的複數表面係以金屬化排列，形成兩個電極與四個連接墊(第2b圖中顯示其中兩個，標示為15和16)。該些振盪器的連接墊皆位於長條晶體的相同末端(二在上，二在下)，每個電極延伸至長條的主要表面之一。複數條傳導路徑更連接了各該電極至任一長條主要表面的成對連接墊。當該些電極中的其中一個電極連接到該振盪迴路的一極點，而另一個電極連接至該振盪迴路的另一極點。如此，即可在該些電極之間，形成一橫跨該壓電材料的可變電場，進而使該長條晶體產生振動。

誠如前文所述，該黏附於該壓電共振單元11的積體電路晶片13側板，係對應於該積體電路晶片的活性面13a。換句話說，該壓電共振單元11係固定在該積體電路晶片的特定面上，且該些電流迴路係形成於該特定面上。該些積體電路終端係以這樣一種方法排列於該活性面，且當該壓電共振單元與該積體電路晶片的相對位置正確時，兩個連接至該積體振盪迴路的積體電路終端，將直接面向兩個形成於該長條晶體11底部的連接墊。此配置得使該壓電共振單元直接連接該振盪迴路，而不需使用電線。該壓電共振器與該積體電路得以連結，例如，藉由超音速覆晶接合技術或是簡單塗抹具傳導性的黏著劑在每個連接墊。可以理解的是，上述的壓電共振單元與積體電路晶體的連結，具有提供該壓電共振單元足夠機械強度，並在該連結兩者之間提供熱傳導功能與電傳導功能之優點。

在水晶振盪裝置中，整合電流迴路的每個單一組成通常是不切實際的。這就是為何第2b圖顯示複數個延伸自該積體電路晶片的電路導線(統一標示為33)，和兩條以上延伸自該石英晶體共振單元頂部表面的兩個連接墊15、16的電路導線。在此特定範例中，後者的兩條導線係用以排列連接該壓電共振單元的輸入和輸出，至相對的電容輸入和輸出(此電容未標示)。四條延伸自該積體電路晶片的電路導線33，係用以連結複數個相對的積體電路終端至該裝置的四個外部接頭3，5，7和9(第1b圖所示)。剩餘的電路導線33係用以使該積體電路晶片的兩個相對終端連接一解耦電容，以形成電流供應器(未標示)；或使該積體電路晶片的兩個相對終端連接一大型電容(未標示)，以形成加熱單元；或使該積體電路晶片的兩個相對終端連接一電阻與一變容二極體，進而藉由該外部電極7(第1b圖所示)的控制電壓，達到控制該振盪頻率；或使該積體電路晶片的兩個相對終端連接一電阻(未標示)，以調整共振器驅動功率。為了改進熱逸散，通常較佳的方法係使所有的電阻和電容伴隨著積體電路晶片一併置於真空腔。此方法中，各連接至該積體電路晶片的連結元件將不進一步討論細節。的確，熟習本技術領域之技術人員，應能輕易得知該些元件的連結方式。

誠如前文所述，根據該圖示範例，該振盪迴路和該溫度感測單元係配置於該具有加熱單元的積體電路晶片13之中。然而，根據此發明，積體電路晶片13之中必要電流迴路的唯一部份為加熱單元。因此，根據可選擇的實施例，不僅大型電容和電阻，特別還有完整電流迴路可能作為分離單元的形式來使用。

第3圖係一揭露該陶瓷外盒1內部的積體電路晶片13和壓電共振單元11之剖面圖。在此特例中，該陶瓷外盒1係由五層材料25，26，27，28及29所組成。一大型真空腔23係作為該積體電路晶片13、該壓電共振單元11以及其他所有如上所述的迴路元件之外罩。該真空腔23係由三層組裝而成，該三層分別為一支稱板27、一周圍牆28和一盒蓋29。該些陶瓷層以氣密方式接合。熟習本技術領域之技術人員應得瞭解充分該陶瓷層板之組合方法。

誠如第3圖所示，該積體電路晶片固定黏附在該支稱板27之上。由於陶瓷材料具熱傳導特性，一組由絕熱材料組成的靴座31常被插入該積體電路晶片與該支稱板之間。誠如前文所述，該些薄電路導線33(僅有一個標示在第3圖)提供該積體電路晶片13與該些陶瓷外盒1內部連接墊(未標示)的必要連結。

為了更加改良該水晶振盪裝置的熱逸散，密封真空腔23的三個陶瓷層27、28、29黏附在該陶瓷底板25與該中間板26形成的底部結構頂端。再者，誠如第3圖所示，一較低空腔35係位於支稱板27下方基部，並橫跨自該積體電路晶片13。第3圖更顯示出，該較低空腔35係以該支稱板27的孔洞37連結該真空腔23，且該積體電路晶片13係黏附於該支稱板27，進而橋接該孔洞37。如此，該積體電路晶片的每一面都環繞著真空狀態。應可瞭解的是，這樣的配置自當合理限制熱傳導的允許路徑，且改善熱逸散。

現在參考第4圖，可看到該孔洞37呈現矩形。從俯視角度來看，該積體電路晶片13有粗略接近的尺寸，但與該孔洞37呈90度角。在這樣表面配置之中，該孔洞37比該積體電路晶片13來的寬，也較短。如圖所示，當該積體電路晶片13橋接該孔洞37時，該絕熱靴座31與支稱板27的接觸面被限制於相對於該孔洞37的兩個狹窄長條38a與38b中。藉由限制該絕熱靴座31與該支稱板27的接觸區域在狹窄長條38a、38b，前述配置更能夠限制從該積體電路晶片傳遞至該支稱板的熱量。如先前所述，該孔洞37也較該積體電路晶片13來的寬。因此，該積體電路晶片沒有完全覆蓋該支稱板27的開口。如第4圖所示，在該積體電路晶片側邊的該兩個狹窄開口40a、40b，係連結該真空腔23和該較低空腔35。此配置能確保：當真空產生於真空腔時，較低的空腔也處於真空狀態。

熟習本領域技術之人員依照上述發明實施例可輕易了解本發明所揭露的內容，並根據本發明所列出之必要步驟與元件，即可變化、結合、拆分出其他實施方式。因此，本發明所包含之權利範圍應以下列申請專利範圍所列為準。特別是，以SC裁切石英晶體技術，或任何其他已知壓電共振單元，取代在該壓電共振單元中的AT裁切石英晶體技術，也是熟習本領域技術之人員得輕易得知的。

1．．．陶瓷外盒

3．．．外部電極

5．．．外部電極

7．．．外部電極

9．．．外部電極

11．．．壓電共振單元

13．．．積體電路晶片

13a．．．活性面

15．．．連接墊

16．．．連接墊

23．．．真空腔

25．．．陶瓷底板

26．．．中間板

27．．．支持板

28．．．周圍牆

29．．．盒蓋

31．．．靴座

33．．．電路導線

35．．．較低空腔

37．．．孔洞

38a．．．狹窄長條

38b．．．狹窄長條

40a．．．狹窄開口

40b．．．狹窄開口

本文發明的其他特色與優點係透過閱讀以下實例敘述，參考用附圖並非用以限制本發明所揭露的技術與特徵：

第1a圖係本發明水晶振盪裝置套件的表面黏著型陶瓷外盒之透視角度；

第1b圖係第1a圖的陶瓷外盒的四個連接針頭之示意說明圖；

第2a圖係本發明的最佳實施例，係水晶振盪裝置的積體電路晶片和壓電共振單元的組成示意圖；

第2b圖係第2a圖的組成示意圖，其係透過盒蓋的俯視圖，以顯示從積體電路晶片進入和輸出的電性連接關係；

第3圖係第1圖中，陶瓷外盒真空腔體內部的積體電路晶片和壓電共振單元的剖面圖；

第4圖係以俯視盒蓋的角度顯示第3圖的壓電共振單元和積體電路晶片，以說明積體電路晶片如何黏附在支撐板的孔洞。

1．．．陶瓷外盒

11．．．壓電共振單元

13．．．積體電路晶片

23．．．真空腔

25．．．陶瓷底板

26．．．中間板

27．．．支持板

29．．．盒蓋

31．．．靴座

33．．．電路導線

35．．．較低空腔

Claims (11)

1. 一種水晶震盪裝置，包含：一個形成真空腔(23)的空氣密閉盒(1)，一壓電共振單元(11)，一振盪迴路，一溫度感測器，以及一實施於一積體電路晶片(13)中的加熱單元，又該積體電路晶片具有一活性面(13a)，其中該壓電共振單元(11)與該振盪迴路相互連接而形成一振盪電路，且該溫度感測器與該加熱單元係連同該壓電共振單元(11)而被包含於該真空腔(23)中，其特徵在於該壓電共振單元係熱導連接於該積體電路晶片(13)中的該活性面(13a)，以使該積體電路晶片得支持該壓電共振單元；其中，該振盪迴路係與該加熱單元一同實施於該積體電路晶片(13)中，且其中該壓電共振單元(11)係貼附於該積體電路晶片的活性面(13)，以直接連接該振盪迴路。
2. 如申請專利範圍第1項所述之水晶振盪裝置，其中該溫度感測器係與該加熱單元一同實施於該積體電路晶片(13)中。
3. 如申請專利範圍第1項所述之水晶振盪裝置，其中該溫度感測器係與該加熱單元一同實施於該積體電路晶片(13)中。
4. 如申請專利範圍第1項所述之水晶振盪裝置，其中該壓電共振單元(11)係以熱導黏著之方式，貼附在該積體電路晶片(13)的活性面(13a)。
5. 如申請專利範圍第1項所述之水晶振盪裝置，其中該積體電路晶片(13)與該壓電共振單元(11)係以超音波覆晶黏貼技術而貼合在一起。
6. 如申請專利範圍第1項所述之水晶振盪裝置，其中該空氣密閉盒(1)係陶瓷製成的。
7. 如申請專利範圍第1項所述之水晶振盪裝置，其中該空氣密閉盒包含一個在該真空腔(1)頂邊的盒蓋(29)，與一個在該真空腔(23)底邊的支撐板(27)，該支撐板具有兩個相對的上表面與下表面，其中，該積體電路晶片(13)係被堆疊在該支撐板的活性面(13a)的上表面上，且有絕熱材料(31)被填充於該積體電路晶片與該支撐板之間。
8. 如申請專利範圍第7項所述之水晶振盪裝置，其中該支撐板(27)相對於該積體電路晶片(13)，設置在該空氣密閉盒(1)的一底部(25，26)，且該空氣密閉盒又包含一個設置於該支撐板下方底部裡的較低空腔(35)。
9. 如申請專利範圍第8項所述之水晶振盪裝置，其中，一個在該支撐板(27)裡的孔洞(37)連接該真空腔(23)與該較低空腔(35)。
10. 如申請專利範圍第9項所述之水晶振盪裝置，其中，該積體電路晶片(13)係橋接該孔洞(37)。
11. 如申請專利範圍第1至10項的任意一項所述之水晶振盪裝置，其係使用表面黏附技術(SMD)，並報含複 數個陶瓷對疊層(25，26，27，28，29)。