調(diào)節(jié)激光器的電流和激光掃描時(shí)間到適當(dāng)?shù)闹?/span>,是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)石英晶振,貼片晶振進(jìn)行頻率微調(diào)的。雖然實(shí)驗(yàn)中微調(diào)的量最小也是kHz數(shù)量級(jí),但從兩組數(shù)據(jù)中可以看出只要電流和掃描時(shí)間調(diào)節(jié)的得當(dāng),進(jìn)行幾Hz~幾百Hz數(shù)量級(jí)的頻率微調(diào)也是可行的,亦即實(shí)現(xiàn)晶振ppm級(jí)的頻率精度。

其次,從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中可以看出頻率微調(diào)量在掃描時(shí)間固定的情況下,并不是與激光電流完全成正比;而在激光電流固定的情況下,也不是與掃描時(shí)間完全成正比的。這一方面可能與表面銀層對(duì)于激光的反射作用有關(guān),大量的激光束被銀層反射回去,沒能用于對(duì)表面電極層進(jìn)行氣化,只有通過(guò)加大激光電流的辦法來(lái)加強(qiáng)對(duì)表面的轟擊。但這樣一來(lái)很容易造成頻率微調(diào)量過(guò)大,超出了想要的頻率微調(diào)數(shù)量級(jí)的現(xiàn)象。

另一方面可能與整個(gè)石英晶振激光頻率微調(diào)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行的環(huán)境有關(guān)。整個(gè)激光頻率微調(diào)實(shí)驗(yàn)完全在大氣環(huán)境下進(jìn)行,受激光掃描而氣化的分子受大氣中的分子顆粒的散射作用,重新返回晶振晶片表面,堆積在表面其他地方。這樣實(shí)際上晶振晶片的質(zhì)量并沒有減小,由 Sauerbrey方程:

可知質(zhì)量沒有改變就不會(huì)對(duì)石英晶振頻率產(chǎn)生微調(diào),因而網(wǎng)絡(luò)分析儀就測(cè)量不出頻率的變化。這樣實(shí)驗(yàn)時(shí)就會(huì)繼續(xù)加大激光電流或是增加激光照射或掃描時(shí)間。而這樣是不對(duì)的。因?yàn)閷?shí)際上氣化過(guò)程在頻率真正得到改變前就已經(jīng)發(fā)生了,只是石英晶振晶片總質(zhì)量沒有改變從而不會(huì)對(duì)頻率產(chǎn)生影響。當(dāng)增強(qiáng)后的激光照射在晶片表面時(shí),有可能電流過(guò)大,穿透表面銀層,產(chǎn)生與圖3.5類似的情形,造成實(shí)驗(yàn)失敗。

此外,從實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可以看出,激光掃描電流和激光掃描時(shí)間兩個(gè)參數(shù)并不是獨(dú)立作用的,并不是增加或減少其中的一個(gè)就可以直接影響晶振頻率微調(diào)量的。因而需要兩個(gè)參數(shù)相互配合,在實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上達(dá)到一個(gè)最佳平衡點(diǎn)。

從實(shí)驗(yàn)中可以推斷,除了激光掃描電流和激光掃描時(shí)間兩個(gè)參數(shù)外,還有其它的參數(shù)影響著實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如:氣壓,氣溫,甚至激光掃描路徑。因而需要大量、反復(fù)的實(shí)驗(yàn)來(lái)找出這些關(guān)系,進(jìn)而找到實(shí)現(xiàn)精確石英頻率微調(diào)的最佳方案。

運(yùn)用不同的工藝方法,對(duì)石英晶振進(jìn)行頻率微調(diào),以不同參數(shù)的激光產(chǎn)生不同的微調(diào)量和微調(diào)效果。通過(guò)拍攝SEM照片,來(lái)研究在不同的激光參數(shù)和條件下,激光對(duì)于石英晶振表面及內(nèi)部的改變和損傷情況。共分五種情況對(duì)激光刻蝕損傷進(jìn)行研究。

1.直接刻蝕石英晶振片表面。

2.以大電流刻蝕石英晶振表面銀電極層,使其產(chǎn)生肉眼可見的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計(jì)無(wú)法讀出刻蝕后的頻率值。

3.以適當(dāng)?shù)募す鈪?shù)刻蝕石英晶振表面銀電極層,并無(wú)明顯的刻蝕痕跡,頻率微調(diào)量在50ppm,其他電性能參數(shù)改變量均小。

4.以刻蝕圖形的方法對(duì)石英晶振表面銀電極層進(jìn)行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層外層圓環(huán),頻率微調(diào)量達(dá)l000pm。

5.以刻蝕圖形的方法對(duì)石英晶振表面銀電極層進(jìn)行刻蝕,刻蝕圖形為銀電極層半邊圓,頻率微調(diào)量達(dá)2300ppm。

以下為石英晶振實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

1.直接刻蝕石英晶振片表面

在電流為11A,激光頻率為10KHLz,Q脈沖寬度為10s的條件下,直接對(duì)石英晶振片進(jìn)行環(huán)狀刻蝕?？涛g示意圖如圖4.7所示。

圖中虛線所示為激光刻蝕的軌跡,可見激光全部作用在石英晶振片本身,而不是其表面的銀電極層上。經(jīng)刻蝕,貼片晶振,石英晶振片的頻率從10.0268376MHz,上升為10.0268780MHz,頻率微調(diào)量為404pm。這樣做的目的,是為了觀察當(dāng)激光直接作用于晶片本身的時(shí)候,會(huì)對(duì)晶片產(chǎn)生怎樣的影響。

通過(guò)電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.8所示。

從圖中可見,被激光刻蝕后的區(qū)域,石英片表面平整,形貌良好,并未對(duì)下面石英晶體產(chǎn)生損傷。部分晶體被激光刻蝕掉后由于大氣中分子的散射作用,重新落回到晶片表面,覆蓋在原晶片上。

2.以大電流刻蝕貼片晶振,石英晶振表面銀電極層,使其產(chǎn)生肉眼可見的大面積刻蝕痕跡,至使頻率計(jì)無(wú)法讀出刻蝕后的頻率值。

在電流為14A,激光頻率為10KHz,Q脈沖寬度為10ys的條件下,對(duì)石英晶振片表面銀電極層進(jìn)行刻蝕?？涛g圖形及示意圖分別如圖4.9、4.10所示。

在14A的激光電流刻蝕下,晶片表面刻蝕區(qū)域的電極層被損壞,出現(xiàn)了肉眼可見的較大范圍內(nèi)明顯剝落痕跡。至使頻率計(jì)無(wú)法讀出其諧振頻率,石英晶片停振。

通過(guò)電鏡觀察,刻蝕后的石英晶振片斷面如圖4.11所示。

如圖所示,圖中左半邊銀電極層清晰可見,均勻的覆蓋在石英表面。而右半邊銀電極層被激光刻蝕剝落,被剝落處銀電極層與貼片晶振,石英晶振混在一起,界線模糊。并且剝落已經(jīng)損傷到石英晶振本身。損傷延伸至2000m深度。

石英晶體諧振器是利用石英晶體的壓電效應(yīng)制成的一種諧振器件,其基本結(jié)構(gòu)為:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡(jiǎn)稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個(gè)對(duì)應(yīng)面上涂敷銀層作為電極,在每個(gè)電極上各焊根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構(gòu)成了石英晶體振蕩器,簡(jiǎn)稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。圖2.1是石英晶振結(jié)構(gòu)圖。圖22是一種金屬外殼封裝的石英晶體結(jié)構(gòu)示意圖。

石英晶振晶體的壓電效應(yīng)

若在石英晶體的兩個(gè)電極上加一電場(chǎng),晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形。反之,若在晶振晶片的兩側(cè)施加機(jī)械壓力,則在晶片相應(yīng)的方向上將產(chǎn)生電場(chǎng),這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng),同時(shí)石英晶振晶片的機(jī)械振動(dòng)又會(huì)產(chǎn)生交變電場(chǎng)。在一般情況下,晶振晶片機(jī)械振動(dòng)的振幅和交變電場(chǎng)的振幅非常微小,但當(dāng)外加交變電壓的頻率為某一特定值時(shí),振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現(xiàn)象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸等有關(guān)。

石英晶振晶體的符號(hào)和等效電路

石英晶體諧振器的符號(hào)和等效電路如圖23所示。當(dāng)晶體不振動(dòng)時(shí),可把它看成一個(gè)平板電容器稱為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關(guān),一般約幾個(gè)pF到幾十pF。當(dāng)石英晶體諧振時(shí),機(jī)械振動(dòng)的慣性可用電感L來(lái)等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH.晶振晶片的彈性可用電容C來(lái)等效,C的很小,一般只有0.0002~0.lpF。

晶振晶片振動(dòng)時(shí)因摩擦而造成的損耗用R來(lái)等效, 它的數(shù)值約為100g。由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大,可達(dá)1000~10000。加上晶振晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸有關(guān),而且可以做得精確,因此利用石英晶體諧振器組成的諧振電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。

從石英晶體諧振器的等效電路可知,它有兩個(gè)諧振頻率,即(1)當(dāng)L、C R支路發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí),石英晶體諧振器的等效阻抗最小(等于R)。串聯(lián)揩振頻率用fs表示,石英晶體對(duì)于串聯(lián)揩振頻率fs呈純阻性;(2)當(dāng)頻率高于fs時(shí),L、C、R支路呈感性,可與電容C0發(fā)生并聯(lián)諧振,其并聯(lián)頻率用fd表示。工程技術(shù)中石英諧振器就工作在fs到fd范圍內(nèi)或這兩個(gè)頻率的奇次諧頻上。

根據(jù)石英晶振的等效電路,可定性畫出它的電抗一頻率特性曲線如圖2.3所示?？梢姰?dāng)頻率低于串聯(lián)諧振頻率fs或者頻率高于并聯(lián)揩振頻率fd時(shí),石英晶體呈容性。僅在fs極窄的范圍內(nèi),石英晶體呈感性。石英晶體表面附著電極層后的膜系結(jié)構(gòu)示意圖如圖24所示。

Sauerbrey方程用于描述石英晶體諧振頻率與晶體表面附著物質(zhì)(此處為上、下兩面的銀電極層)之間的變化關(guān)系,該方程如下:

其中f0為石英晶振原始諧振頻率(單位為Hz),△f為晶振的頻率變化量(單位為Hz),△m為晶體變化的質(zhì)量(單位為gcm-2),A是晶體有效面積(即電極面積,單位為cm2),pμ是石英晶體的密度,μφ為晶體剪切彈性模量。

對(duì)于指定晶振晶片,fo、A、pμ、qμ均為常數(shù),因而, △f與△m的絕對(duì)值成正比,負(fù)號(hào)表示表面銀電極層質(zhì)量的增加,會(huì)引起石英晶振諧振頻率的減少;而表面銀電極層質(zhì)量的減少,會(huì)引起石英晶振諧振頻率的增加。即:增加銀層質(zhì)量和減少銀層質(zhì)量?jī)煞N方法都可以改變石英晶振的諧振頻率。

可見,附加的銀電極層會(huì)對(duì)石英晶振器的諧振頻率產(chǎn)生影響。因而工業(yè)生產(chǎn)中,一般先制作出與目標(biāo)頻率接近的石英晶片并附加表面電極,再通過(guò)改變表面電極厚度方法,來(lái)微調(diào)晶振頻率以達(dá)到目標(biāo)頻率。

石英晶振是如今智能產(chǎn)品都會(huì)用到的一種頻率元件,主要為電路提供頻率信號(hào)源,具有高可靠使用特性.下面億金電子給大家講解億金電子石英晶振生產(chǎn)流程以及可靠性現(xiàn)狀分析.

石英晶振生產(chǎn)流程比較復(fù)雜,包含多次的測(cè)試過(guò)程。生產(chǎn)部門接到制令通知單后開始組織生產(chǎn),生產(chǎn)人員到資材課領(lǐng)取物料,由操作員對(duì)元器件和石英晶體進(jìn)行焊接,焊接完成后對(duì)石英晶振進(jìn)行調(diào)試,調(diào)試完成后依次進(jìn)行溫度測(cè)試、老化測(cè)試, 測(cè)試完成后由封口站人員對(duì)石英晶振進(jìn)行封殼,經(jīng)過(guò)清洗、檢驗(yàn)后最終成品制成。石英晶振生產(chǎn)流程圖如圖3-3所示。

億金石英晶振可靠性現(xiàn)狀分析

可靠性管理是提高產(chǎn)品可靠性的必由之路,在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用,大到航空航天,小到電子信息設(shè)備,都已經(jīng)應(yīng)用可靠性管理來(lái)提高企業(yè)產(chǎn)品的可靠性。但截至目前,在石英晶振制造領(lǐng)域,還沒有全方位的將可靠性管理納入企業(yè)日常管理中來(lái)。

億金電子目前主要按照ISO9001質(zhì)量管理體系的要求來(lái)對(duì)石英晶振產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行管理,雖然公司的管理水平比較先進(jìn),但如果要從根本上改善石英晶振,貼片晶振等產(chǎn)品的可靠性,就要將可靠性管理納入公司管理中來(lái)。

目前,A型石英晶振產(chǎn)品占到公司晶振銷量的20%左右,是公司的主推產(chǎn)品, 該型石英晶振的設(shè)計(jì)也已經(jīng)很成熟了,但A型石英晶振可靠性仍然存在著很多問(wèn)題,退換貨給公司形象帶來(lái)負(fù)面影響。針對(duì)這種現(xiàn)象的出現(xiàn),本文將以A型石英晶振為例.

首先對(duì)A型石英晶振產(chǎn)品進(jìn)行 FMECA分析,其次運(yùn)用模糊FMECA綜合評(píng)判來(lái)量化FMEA的分析結(jié)果,并在定量分析的基礎(chǔ)上建立模糊CA模型,計(jì)算各故障模式的綜合危害度等級(jí),并以此為根據(jù)對(duì)故障模式進(jìn)行排序,以便判定進(jìn)行改進(jìn)措施的優(yōu)先權(quán),保證系統(tǒng)可靠性工作的效率,最后結(jié)合公司實(shí)際情況,診斷出產(chǎn)品可靠性不高的原因,盡可能的來(lái)幫助企業(yè)解決石英晶振,貼片晶振的可靠性問(wèn)題。

GPS定位系統(tǒng)是靠車載終端內(nèi)置SIM通過(guò)移動(dòng)GPRS信號(hào)傳輸?shù)胶笈_(tái)來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。在遠(yuǎn)的地方定位人的行蹤。GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)的前身是美軍研制的一種“子午儀”導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，GPS全球定位系統(tǒng)是20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸海空三軍聯(lián)合研制的新一代空間衛(wèi)星導(dǎo)航GPS定位系統(tǒng)。
GPS定位系統(tǒng)工作原理是由地面主控站收集各監(jiān)測(cè)站的觀測(cè)資料和氣象信息,計(jì)算各衛(wèi)星的星歷表及衛(wèi)星鐘改正數(shù),按規(guī)定的格式編輯導(dǎo)航電文,通過(guò)地面上的注入站向GPS衛(wèi)星注入這些信息。測(cè)量定位時(shí),用戶可以利用接收機(jī)的儲(chǔ)存星歷得到各個(gè)衛(wèi)星的粗略位置。根據(jù)這些數(shù)據(jù)和自身位置,由計(jì)算機(jī)選擇衛(wèi)星與用戶聯(lián)線之間張角較大的四顆衛(wèi)星作為觀測(cè)對(duì)象.

GPS接收機(jī)正常工作的條件是至少同時(shí)可以接收到4顆衛(wèi)星的有效信號(hào),當(dāng)接收到的衛(wèi)星個(gè)數(shù)少于4顆時(shí),定位和定時(shí)信息是不準(zhǔn)確的甚至是錯(cuò)誤的。出現(xiàn)這樣的原因一般有:個(gè)別衛(wèi)星退出工作、天線安裝位置不當(dāng)、衛(wèi)星故障等, 這些都有可能造成接收到有效信號(hào)的衛(wèi)星個(gè)數(shù)過(guò)少。

而且有實(shí)驗(yàn)證明即使將接收天線從接收機(jī)上拔掉,在其后的很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)GPS接收機(jī)仍有PS輸出,但此時(shí)的1PS與UTC已經(jīng)有很大的差別,由此可見,GPS接收機(jī)完全有可能輸出錯(cuò)誤的lPPS信號(hào)。另外,信號(hào)在傳遞過(guò)程中受到來(lái)自外界電磁信號(hào)的干擾,GPS接收機(jī)輸出的1PPS信號(hào)中可能含有毛刺,導(dǎo)致偽1PPS信號(hào)的產(chǎn)生,從而導(dǎo)致系統(tǒng)的誤動(dòng)作,因此有必要采取抗干擾措施。這里采用硬件開窗方法消除干擾2,原理如圖4.1所示。

圖中的CLK信號(hào)由高穩(wěn)定度的恒溫晶振提供,在系統(tǒng)上電復(fù)位后,啟動(dòng)單片機(jī)的串行通訊口,接收GPS信息,根據(jù)解碼信息中的工作狀態(tài)指示判斷PPS的有效性。當(dāng)初始觸發(fā)分頻信號(hào)到來(lái)之后,通過(guò)控制信號(hào)設(shè)置FPGA中的計(jì)數(shù)器在接收到的GPS1PS上升沿的附近產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)間的高電平窗口信號(hào),相當(dāng)于一個(gè)與門,過(guò)濾掉窗口外的干擾信號(hào)。

另外,通過(guò)單片機(jī)自帶的外部中斷模塊來(lái)對(duì)去掉干擾后的PPS信號(hào)的上升沿進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)結(jié)果判斷GPS接收機(jī)是否正常工作,來(lái)決定系統(tǒng)的工作模式是馴服模式還是保持模式,具體消除1PS中干擾脈沖的波形圖如圖4.2所示。

下面主要介紹處理干擾時(shí)的重點(diǎn):

1.初始觸發(fā)分頻信號(hào)的判斷

系統(tǒng)初始化后,用單片機(jī)的外部中斷連續(xù)三次檢測(cè)來(lái)自GPS接收機(jī)的1PPS信號(hào),如果三次都檢測(cè)到則給出初始觸發(fā)分頻信號(hào)。

2.設(shè)置合理的“窗口”信號(hào)

由于OCXO恒溫晶振的輸出頻率比較穩(wěn)定,當(dāng)初始觸發(fā)分頻信號(hào)到來(lái)吋刻起,利用FPGA中的計(jì)數(shù)器和OCXO石英晶體振蕩器輸出的倍頻信號(hào)可以大致計(jì)算出下一個(gè)有效PPS脈沖的到來(lái)時(shí)刻,經(jīng)過(guò)(1-△)秒后打開“窗口”,在計(jì)算得到的第二個(gè)PPS脈沖的到來(lái)時(shí)刻

后的M秒后關(guān)閉該“窗口”,只要M選擇得足夠小,則抗干擾效果就非常的明顯。

3.GPS信號(hào)的失效檢測(cè)及處理

對(duì)于整個(gè)馴服系統(tǒng)來(lái)說(shuō),GPS信號(hào)丟失會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的后果,原因可能是接收機(jī)接收到的衛(wèi)星個(gè)數(shù)少于四顆,如上面所說(shuō)的天線的安裝問(wèn)題等,使接收機(jī)處于非正常工作狀態(tài)?；蛘呤?/span>GPS接收機(jī)與單片機(jī)模塊或者與門邏輯的接口出現(xiàn)問(wèn)題,使GPS秒脈沖信號(hào)或時(shí)間狀態(tài)信息不能正常傳輸。

假如是第一種情況,接收模塊可通過(guò)GPS接收機(jī)串口輸出的狀態(tài)信息判斷其輸出信號(hào)是否失效,后面的軟件程序作出相應(yīng)的處理。假如是第二種情況,屬于兩種功能模塊之間的通信故障,系統(tǒng)相關(guān)模塊不可能從GPS接收模塊獲得GPS的工作狀態(tài)信息或者秒脈沖信號(hào),GPS_1PPS秒脈沖入口處的電平不會(huì)出現(xiàn)任何變化。

此時(shí),相關(guān)模塊必須有獨(dú)自判斷GPS是否失效的能力。可以在“窗口”信號(hào)開通期間使用單片機(jī)相關(guān)外部中斷模塊,如果沒有檢測(cè)到正確跳變,說(shuō)明GPS信號(hào)失效;如果“窗口”信號(hào)開通期間相關(guān)中斷模塊能捕捉到正確跳變,則說(shuō)明GPS信號(hào)可能已恢復(fù)正常,此時(shí)系統(tǒng)可以繼續(xù)對(duì)恒溫晶體振蕩器OCXO進(jìn)行校準(zhǔn)。

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石英晶振是一種頻率元件，為電路提供基準(zhǔn)信號(hào)頻率。隨著智能科技的發(fā)展，晶振的發(fā)展腳步也在不斷加快。關(guān)于晶振的作用和晶振分類，以及石英晶振在不同產(chǎn)品中的應(yīng)用原理大家可以到前面的文章中查看。下面億金電子要給大家介紹的是石英晶振參數(shù)的變化可以被相應(yīng)的電路檢測(cè)出來(lái)，因此我們做了以下分析。

1995年, A Michels等報(bào)道了將晶振作為掃描近場(chǎng)聲顯微鏡的探針的研究。將1MHZ桿狀晶振的尖角作為針尖以45°角與樣品逼近,將石英晶振受到的阻尼信號(hào)作為測(cè)量距離的信號(hào)得到物體表面的形貌圖。其垂直分辨率達(dá)到了50nm,水平分辨率達(dá)到了200nm,是介于傳統(tǒng)的輪廓儀和SFM之間的一種儀器24。

隨著研究的進(jìn)一步深入,研究者開始探討將針式傳感器作為其他類型顯微鏡的應(yīng)用。M. Todorovic等在1998年報(bào)道了一種使用音叉作為傳感器的磁力顯微鏡。在音叉表晶的一支腳上粘附一個(gè)經(jīng)過(guò)磁化的非常細(xì)小的針尖,即可構(gòu)成磁力傳感器。石英音叉的腳只有2mm長(zhǎng),200um厚,100um寬,彈性常數(shù)只有200N/m,只有傳統(tǒng)的AFM儀器的十分之-。針尖是電化學(xué)腐蝕鎳絲的方法制作的,針尖的安裝保證了音叉的彈性常數(shù)和Q值不發(fā)生大的變化。

國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域的工作開展的比較晚,1997年,計(jì)量科學(xué)研究院與西德的合作項(xiàng)目中首次使用了這一技術(shù),之后我們實(shí)驗(yàn)室也在這一領(lǐng)域進(jìn)行了跟蹤研究,并獲得了初步的結(jié)果。

從上述發(fā)展歷程可以看出,使用石英晶振,貼片晶振作為針式傳感器,到目前其測(cè)試精度并沒有達(dá)到很高,但是由于其成本低廉,易于獲得,性能穩(wěn)定,在測(cè)試方法上具有獨(dú)到的優(yōu)勢(shì),因此是一個(gè)很有前途的發(fā)展方向,隨著研究的進(jìn)一步深入,它的測(cè)量精度有可能進(jìn)一步提高,這對(duì)于工業(yè)界和實(shí)驗(yàn)室來(lái)說(shuō),是一個(gè)性價(jià)比很高的測(cè)量?jī)x器,對(duì)于科學(xué)試驗(yàn)和工業(yè)應(yīng)用都具有很大的價(jià)值。

從上述可知,現(xiàn)有的基于微懸臂的掃描磁力顯微鏡存在種種不足。鑒于此, 本文想研制出一種采用新型傳感器的結(jié)構(gòu)緊湊的掃描磁力顯微裝置,以達(dá)到高的測(cè)量穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性和具有納米尺度的測(cè)量分辨率。由此,該儀器的研究成功,可在下面幾個(gè)方面起到促進(jìn)作用。

首先它可用于磁記錄工業(yè)中的質(zhì)量檢驗(yàn)控制中。例如對(duì)光盤制造進(jìn)行超微觀檢測(cè)。另外對(duì)磁記錄位的大小及分布等進(jìn)行高分辨率的檢測(cè)。再次,可用于對(duì)生物樣品磁觸覺細(xì)菌內(nèi)亞微米磁疇顆粒進(jìn)行直接觀察及對(duì)單個(gè)細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)磁矩的定量研究。

采用離子刻蝕進(jìn)行晶振頻率微調(diào),在刻蝕后晶振的頻率會(huì)發(fā)生偏移。這會(huì)使頻率調(diào)整精度低于真空蒸著頻率調(diào)整法。如圖4-4所示,離子刻蝕后石英晶振頻率會(huì)產(chǎn)生偏移,縱軸表示與目標(biāo)頻率的偏差,單位是pm。在刻蝕前,石英晶振的頻率相對(duì)于目標(biāo)頻率是負(fù)的。在調(diào)整時(shí),一邊用測(cè)頻系統(tǒng)測(cè)定石英晶振的頻率,一邊用離子束照射石英晶振的電極膜, 電極膜被刻蝕,頻率隨之升高。當(dāng)刻蝕停止后,會(huì)出現(xiàn)頻率下降的現(xiàn)象?？涛g剛停止的幾秒內(nèi),頻率下降較快,隨后下降會(huì)漸漸變緩,最后趨于穩(wěn)定,不再變化。這種離子刻蝕后頻率偏移的原因比較復(fù)雜,其原因之一是因?yàn)殡x子刻蝕時(shí)對(duì)晶振晶片產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其理論依據(jù)比較深?yuàn)W,在此不做討論。本文主要通過(guò)實(shí)驗(yàn),找出頻率偏移的規(guī)律,對(duì)石英晶振進(jìn)行離子刻蝕加工時(shí)設(shè)定合適的參數(shù),使得這種偏移在實(shí)際應(yīng)用中產(chǎn)生盡可能小的影響。

現(xiàn)在用AT方向切割的石英晶片做成的石英晶振進(jìn)行實(shí)驗(yàn),用離子束對(duì)晶片進(jìn)行刻蝕,統(tǒng)計(jì)出蝕刻速度與頻率偏移的聯(lián)系。

實(shí)驗(yàn)對(duì)象:A品種的石英晶振使用的晶片是長(zhǎng)方形,尺寸為長(zhǎng)1996u±3u,寬1276u±2a,晶片厚度為62.04u。目標(biāo)頻率為26.998380MHz。晶片先用昭和真空生產(chǎn)的磁控濺射鍍膜機(jī)SPH-2500進(jìn)行鍍膜,為了提高鍍層密著性,先鍍少量的鉻膜, 然后按頻率要求鍍銀膜,總膜厚約為1.73u。使得在離子束刻蝕加工前的頻率與目標(biāo)頻率的差為2000ppm~300ppm之間。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備:離子束刻蝕頻率微調(diào)機(jī)使用昭和真空生產(chǎn)的SFE-6430T。離子槍的加速鉬片到晶片表面的距離為25mm,氬氣流量為0.35SCCM。

首先,進(jìn)行較大刻蝕速度對(duì)石英晶振,貼片晶振進(jìn)行刻蝕的實(shí)驗(yàn),測(cè)得偏移量。如表4和圖4÷5所示當(dāng)刻蝕速度在1000ppm/s到2000ppm/s的范圍,離子刻蝕后的偏移量隨著刻蝕速度的增加而有很大的升高。如當(dāng)刻蝕量為2000ppm時(shí),頻率偏移量山刻蝕速度為1000ppm/s的35.8ppm快速增長(zhǎng)到刻蝕速度為2000ppm/s的89.8ppm。當(dāng)刻蝕量為3000ppm時(shí),頻率偏移量便會(huì)超過(guò)100pm。此外,從圖4-5中可以看出,在同一刻蝕速度下,刻蝕后的頻率偏移量還會(huì)隨刻蝕量的增加呈線性升高。

其次,進(jìn)行較低刻蝕速度對(duì)石英晶體,石英晶體諧振器進(jìn)行刻蝕的實(shí)驗(yàn),測(cè)得偏移量。如表4-2和圖4-6所示,與高速時(shí)的情況類似,刻蝕速度增加時(shí),刻蝕后的偏移量也會(huì)隨之增加。并且,在同一刻蝕速度時(shí),刻蝕后的偏移量也隨刻蝕量的增加而線性增大。從圖表中可以看出,刻蝕速度減小后,刻蝕后的偏移量也會(huì)減小很多。當(dāng)刻蝕速度減小到80ppm/s時(shí),刻蝕量為200pm時(shí),刻蝕后偏移量?jī)H為2.5pm。如果進(jìn)一步控制刻蝕量,當(dāng)刻蝕量降到100ppm時(shí),刻蝕后偏移量?jī)H為0.2ppm,基本接近于0。因此在實(shí)際生產(chǎn)時(shí),如果能將刻蝕速度控制到80pm/s,刻蝕量控制在100pm以下, 晶振的離子束刻蝕后的頻率偏差較大,且公差范圍較小,為了減少離子束刻蝕后頻率偏移產(chǎn)生的影響,提高產(chǎn)品的精度,可以采用3段加工模式,但是生產(chǎn)效率會(huì)有所降低)。

晶振離子刻蝕兩段加工模式如圖4-7所示,首先進(jìn)行H段加工,用高的刻蝕速度和大的刻蝕量,從加工前頻率開始加工,等加工到設(shè)定的中間目標(biāo)頻率后停止刻蝕,一段時(shí)間后,由于離子刻蝕后的晶振頻率偏移的影響,使頻率下降,回到L段加工前頻率。接著進(jìn)行L段加工,用低刻蝕速度和小刻蝕量,從L段加工前頻率開始加工,等加工到設(shè)定的最終目標(biāo)頻率后停止刻蝕,一段時(shí)間后,出于離子刻蝕后頻率偏移的影響, 使頻率下降,回到實(shí)際最終頻率,當(dāng)實(shí)際最終頻率在公差范圍內(nèi)就為良品,加工就結(jié)束。如果實(shí)際最終頻率低于公差范圍可以作為F-不良重新加工一次。如果實(shí)際最終頻率大于公差范圍,則只能作為F+不良而報(bào)廢。

而在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中,由于操作員缺乏相關(guān)理論知識(shí),不能精確的對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。使得加工的產(chǎn)品會(huì)因?yàn)榭涛g速度過(guò)快,產(chǎn)生較大的頻率偏移,或直接產(chǎn)生F+。而刻蝕速度太低不僅會(huì)降低加工的效率,當(dāng)時(shí)間超過(guò)設(shè)備的監(jiān)控時(shí)間后,就會(huì)直接出現(xiàn)F-不良。

例如,在實(shí)際應(yīng)用中,因?yàn)椴僮鲉T沒有系統(tǒng)的理解以上理論知識(shí),當(dāng)A品種的石英晶振在進(jìn)行離子刻蝕微調(diào)時(shí),發(fā)現(xiàn)頻率分布整體偏低,接近20ppm。因?yàn)閾?dān)心現(xiàn)F-不良,希望將整體頦率調(diào)鬲。此時(shí)應(yīng)該確認(rèn)是否是因?yàn)?/span>H段加工時(shí)的速度太慢, 導(dǎo)致L段加工前的頻率過(guò)低。使得在進(jìn)行L段加工時(shí),時(shí)間過(guò)長(zhǎng),超過(guò)了設(shè)備的監(jiān)控時(shí)間,而強(qiáng)制停止L段加工。

而操作員沒有經(jīng)過(guò)確認(rèn)就主觀的將最終日標(biāo)頻率調(diào)高, 發(fā)現(xiàn)頻率略有上升,但仍然偏低。就調(diào)高L段的刻蝕速度,剛開始有一定效果,但是沒有達(dá)到理想狀態(tài),就繼續(xù)調(diào)高L段刻蝕速度,此時(shí)不但沒有效果,反而因?yàn)樗俣忍?/span>,刻蝕后的頻率偏移使得頻率有略微的下降。并且出現(xiàn)因刻蝕速度的太高而產(chǎn)生的F+不良(如圖4-8)。因?yàn)闆]有專業(yè)技術(shù)繼續(xù)調(diào)整,并且認(rèn)為不良品數(shù)量不多,為了趕快完成當(dāng)日產(chǎn)量,就繼續(xù)加工制品。此時(shí),因?yàn)?/span>H段的刻蝕速度低,影響加工效率, 并由于F+的出現(xiàn),增加了產(chǎn)品的不良數(shù)。

圖4-8各參數(shù)設(shè)置不良時(shí)離子刻蝕后頻率偏移的頻率分布表

為了解決這一問(wèn)題,本文通過(guò)前幾節(jié)的知識(shí)和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),制定標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)。首先將最終晶振頻率設(shè)定在0pm。然后為了將L段加工的頻率偏移盡可能減少,就將L段的刻蝕速度設(shè)定為80ppm/s。為了控制L段的刻蝕量在100pm左右,將中間目標(biāo)頻率設(shè)定在-45pm,H段加工速度設(shè)定為1600ppm/s,這是H段加工后的結(jié)果在50ppm~-0ppm之間,加上刻蝕后的頻率偏移使得L段加工的刻蝕量在-100pm120ppm之間。

按這樣的設(shè)定既可以保證L段加工的效率,也可以控制L段加工后的頻率偏移。使得最終實(shí)際頻率以晶振頻率為中心分布。將上述方法設(shè)定的參數(shù)作成作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)書如圖4-9所示,讓作業(yè)員遵照?qǐng)?zhí)行。圖4-10是按此作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)操作,對(duì)制品加L后的頻率分布。山圖中可以看出頻率是以日標(biāo)頻率為中心分布的,并且分布比以前集中,也沒有不良出現(xiàn)。因此,本論文提出的方法可以提高產(chǎn)品的合格率。

晶振離子刻蝕頻率微調(diào)技術(shù)及生產(chǎn)工藝報(bào)告

1.頻率微調(diào)方法

石英晶振的頻率是由石英晶振晶片的厚度以及電極膜的厚度決定的,為此,當(dāng)調(diào)整此厚度就可以調(diào)整石英晶振的頻率。石英晶振的制作過(guò)程是先將石英晶片從石英晶體上按一定角度切下,然后按一定尺寸進(jìn)行研磨,接著在晶片兩面涂覆金屬電極層,此時(shí)與目標(biāo)頻率相差2000ppm~3000p0m,每個(gè)電極層與管腳相連與周圍的電子元器件組成振蕩電路,隨后進(jìn)行頻率微調(diào),使其與目標(biāo)頻率的差可以減少到2ppm以下。最后加上封裝外殼就完成了。

石英晶振的頻率微調(diào)是對(duì)每個(gè)石英晶振邊測(cè)頻率,邊調(diào)整電極膜的厚度。使頻率改變,達(dá)到或接近目標(biāo)頻率。電極膜厚的調(diào)整方法主要有兩種,真空蒸著法和離子束刻蝕法。

真空蒸著法是在石英晶振晶片的電極膜上用加熱蒸著的辦法繼續(xù)增加電極膜的厚度, 達(dá)到調(diào)整頻率的目的。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于控制。缺點(diǎn)是在石英晶振晶片表面產(chǎn)生多層電極膜,并且密著度會(huì)變差,當(dāng)石英晶振小型化時(shí),會(huì)使原來(lái)的電極膜和調(diào)整膜的位置發(fā)生偏移,使石英晶振的電氣性能降低。

離子刻蝕頻率微調(diào)法,是用離子束將電極膜打簿,調(diào)整石英晶振的頻率。因此,不會(huì)產(chǎn)生多層電極膜,也不會(huì)有電極膜和調(diào)整膜的位置偏移,石英晶振的電氣性能也不會(huì)降低。

2.離子刻蝕頻率微調(diào)方法

圖4-1是基于離子刻蝕技術(shù)的頻率微調(diào)示意圖,離子刻蝕頻率微調(diào)方法,當(dāng)照射面積小于2~3mm2,在beam電壓低于100V以下就可獲得接近10mA/cm2的高電流密度的離子束,離子束的刻蝕速度在寬范圍內(nèi)可進(jìn)行調(diào)節(jié)。圖中采用的是小型熱陰極PIG型離子槍,放電氣體使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圓筒狀的陽(yáng)極周圍安裝永久磁石,使得在軸方向加上了磁場(chǎng)這樣的磁控管就變成了離子透鏡, 可以對(duì)離子束進(jìn)行聚焦。

熱陰極磁控管放電后得到的高密度等離子,在遮蔽鉬片和加速鉬片之間加高達(dá)1200V高壓后被引出。并且可以通過(guò)對(duì)熱陰極的控制調(diào)整等離子的速度。用離子束照射石英晶振,石英晶體的電極膜,通過(guò)濺射刻蝕使得頻率上升米進(jìn)行頻率微調(diào)。在調(diào)整時(shí),通過(guò)π回路使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)石英貼片晶振的頻率進(jìn)行監(jiān)控,當(dāng)達(dá)到目標(biāo)頻率后就停止刻蝕,調(diào)整結(jié)束。

因?yàn)槭⒕д衽cπ回路之間用電容連接,離子束的正電荷無(wú)法流到GND而積聚在石英晶片上,使石英晶片帶正電荷。其結(jié)果不僅會(huì)使頻率微調(diào)速度降低,而且使石英晶片不發(fā)振,無(wú)法對(duì)石英晶振的頻率進(jìn)行監(jiān)控和調(diào)整。為此,必須采用中和器對(duì)石英晶片上的正電荷進(jìn)行中和。

在進(jìn)行離子刻蝕頻率調(diào)整時(shí),離子束對(duì)一個(gè)制品進(jìn)行刻蝕所需的時(shí)間為1~2秒, 而等待的時(shí)間約2秒,等待時(shí)間包括對(duì)制品的搬送和頻率的測(cè)量時(shí)間。在等待時(shí)間中, 是將擋板關(guān)閉的。如果在這段時(shí)間內(nèi),離子槍繼續(xù)有離子束引出,則0.5mm厚的不銹鋼擋板將很快被穿孔而報(bào)廢。為此,在等待時(shí)間內(nèi),必須停止離子槍的離子束引出。

可以用高壓繼電器切斷離子槍的各電源,除保留離子槍的放電電源(可維持離子槍的放電穩(wěn)定)。這樣,在等待時(shí)間沒有離子束的刻蝕,使擋板的使用壽命大大增長(zhǎng)。同是,出于高壓繼電器的動(dòng)作速度很快,動(dòng)作時(shí)間比機(jī)械式擋板的動(dòng)作時(shí)間少很多,所以調(diào)整精度也可得到提高。

3.離子束電流密度

在圖4-1中,為了提高操作性,簡(jiǎn)化自動(dòng)化過(guò)程中的參數(shù)設(shè)定,只對(duì)beam電壓和放電電流進(jìn)行控制,而放電電壓和Ar流量保持不變,加速電壓取beam電壓的20%。

圖4-2表示的是在不同的beam電壓下,隨著放電電流的變化,石英晶振的電極膜處(與離子槍加速鉬片的距離為25mm)所測(cè)得的電流密度。從圖中可以知道,對(duì)于不同的beam電壓,放電電流變化時(shí),都有相對(duì)應(yīng)的放電電流使得電流密度達(dá)到最大。本文說(shuō)所的晶振離子刻蝕頻率微調(diào)就是采用了各不同beam電壓時(shí)的最大電流密度進(jìn)行的。當(dāng)設(shè)定好調(diào)整速度后,根據(jù)計(jì)算決定beam電壓,然后根據(jù)該電壓下最大的電流密度計(jì)算出放電電流。

4.離子刻蝕頻率微調(diào)加工工藝

晶振離子刻蝕頻率微調(diào)加工工藝與真空蒸著頻率微調(diào)有相似處也有不同處。首先,兩種頻率微調(diào)方法都必須在高真空環(huán)境下進(jìn)行,因此在加工前都必須確認(rèn)真空腔的真空度是否達(dá)到要求,一般都要求在1×103Pa以上。其次還必須確認(rèn)真空腔的水冷設(shè)備沒有漏水現(xiàn)象,使用的真空泵需要用真空油時(shí)還要確認(rèn)真空腔內(nèi)沒有被油污染。接著還要保證石英晶振,石英晶體諧振器上沒有灰塵或臟污等異物附著,為了有效的控制異物,加工環(huán)境最好是5000級(jí)以下的凈化空間。離子刻蝕頻率微調(diào)加工除了要注意以上要求外,還必須注意到離子刻蝕后數(shù)秒內(nèi)頻率的偏移問(wèn)題,這個(gè)問(wèn)題將直接影響到生產(chǎn)效率和合格率。

1880年法國(guó)物理學(xué)家居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。當(dāng)在石英晶體的某個(gè)固定的方向加上壓力后,晶體的內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,并且在對(duì)應(yīng)的兩個(gè)表面上分別產(chǎn)生正負(fù)電荷。當(dāng)去除所加的壓力后,石英晶振晶體表面的正負(fù)電荷又會(huì)消失,恢復(fù)到原來(lái)沒有加壓力的狀態(tài);當(dāng)所加的壓力改為拉力后,晶體表面產(chǎn)生的正負(fù)電荷的極性也會(huì)隨之改變。石英晶振晶體表面所產(chǎn)生的電荷量與所加的壓力或拉力的大小成正比。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象就稱為正壓電效應(yīng)。

相反,如果在石英晶體的極化方向上外加交變電場(chǎng)時(shí),就會(huì)使晶體產(chǎn)生膨脹或縮小的機(jī)械變形。當(dāng)去掉所加的交變電場(chǎng)后,該石英晶振晶體的機(jī)械變形也隨之消失,恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。這種電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”.自然界中雖然有很多晶體都具有上述壓電效應(yīng),但是石英貼片晶振晶體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,做成的振蕩器精度高,頻率穩(wěn)定,因此是比較理想的材料。

圖2-1是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的示意圖。表示某一非中心對(duì)稱的壓電石英晶體在某一平面上的投影,當(dāng)其兩側(cè)受到一定外力時(shí)的情況。其中(a)表示當(dāng)石英晶振晶體不受外力時(shí),正電荷與負(fù)電荷的中心重合。晶體的電極化強(qiáng)度為0,晶體表面就不帶電荷。(b) 表示在(a)中的晶體兩側(cè)加上壓力后,產(chǎn)生電極化現(xiàn)象。即晶體發(fā)生壓縮變形使得正電荷與負(fù)電荷的中心分離。為此,石英晶振晶體就顯示有電偶極距,電極化強(qiáng)度就不再等于0晶體表面分別出現(xiàn)了正、負(fù)電荷。(c)中則表示將晶體兩側(cè)的壓力改為拉力后,因?yàn)槭①N片晶振晶體產(chǎn)生膨脹變形后正電荷與負(fù)電荷的中心分離方向與(b)中的正好相反,所以晶體兩側(cè)表面所帶的正、負(fù)電荷情況也正好相反。

如果在石英晶振晶體兩側(cè)的表面鍍上金屬電極后, 當(dāng)在其表面加上壓力或拉力時(shí),都可以利用儀表測(cè)得晶體兩側(cè)表面的電位差。只是金屬電極上由于靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電荷與石英晶體表面出現(xiàn)的束縛電荷極性相反。如(d)、(e) 所示,它們分別表示(b)、(c)在加壓力的面或加拉力的面鍍上金屬電極的情況。當(dāng)施加壓力或拉力的方向和產(chǎn)生電位差的方向一致時(shí),稱為縱向壓電效應(yīng)。也有一些壓電材料,施加壓力或拉力的方向和產(chǎn)生電位差的方向是垂直的,這種現(xiàn)象則被稱為橫向壓電效應(yīng)。相反,如果壓電石英晶體在電場(chǎng)中,出于電場(chǎng)的作用,使石英晶振晶體正電荷與負(fù)電荷的中心發(fā)生分離。這種極化現(xiàn)象則會(huì)導(dǎo)致石英晶體,石英晶體振蕩器的變形,這就是電致變形,也就是逆壓電效應(yīng).

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智能電子產(chǎn)品時(shí)代的到來(lái)改變了我們的工作,改變了我們的生活現(xiàn)狀,而這些都是電子零件的功勞.比如石英晶振,電感,貼片電容,傳感器,芯片,石英貼片晶振,電阻等等.億金電子專業(yè)生產(chǎn)石英晶振,石英晶體諧振器,石英晶體振蕩器,關(guān)于晶振的作用我們簡(jiǎn)單概括,主要是為電路提供信號(hào)頻率.

晶振的作用是廣泛的,在如今的通信業(yè),航空業(yè),家用電器,漁業(yè),網(wǎng)絡(luò),電子產(chǎn)品等領(lǐng)域均有涉及使用.因此石英晶振分為插件式以及貼片式,并且分為多種封裝尺寸,滿足市場(chǎng)需求有源晶振具有更高品質(zhì),高性能,高精密等特點(diǎn),億金電子同時(shí)代理臺(tái)產(chǎn)晶振,日系晶振以及歐美進(jìn)口晶振品牌.關(guān)于晶振在不同產(chǎn)品中的作用以及分類等信息可以到億金行業(yè)新聞中查看.

晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展對(duì)于一個(gè)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)、科學(xué)與技術(shù)、國(guó)防和社會(huì)安全有著非常重要的意義。由于制造、交通運(yùn)輸、通訊與信息技術(shù)的不斷迅猛發(fā)展,對(duì)時(shí)間和頻率測(cè)量的準(zhǔn)確度和精確度要求也越來(lái)越高。導(dǎo)航、定位、大地測(cè)量、天文觀測(cè)、網(wǎng)絡(luò)授時(shí)和同步以及電網(wǎng)故障檢測(cè)中都需要高穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度的晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)。按照頻率標(biāo)準(zhǔn)的性能指標(biāo)和應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)劃分,可以將其分為一級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)(銫原子頻標(biāo))二級(jí)頻率標(biāo)準(zhǔn)(包括銣原子頻標(biāo)和高穩(wěn)石英晶體振蕩器)和其它頻率標(biāo)準(zhǔn)(包括除高穩(wěn)石英晶體振蕩器以外的其他石英晶體振蕩器)。表11列出了常用頻率標(biāo)準(zhǔn)的準(zhǔn)確度.

在各種高精度的頻率標(biāo)準(zhǔn)中,氫钅鐘中、銫鐘等都具有很好的長(zhǎng)期和短期穩(wěn)定度,但價(jià)格非常昂貴,一般用于國(guó)家授時(shí)實(shí)驗(yàn)室,應(yīng)用范圍非常有限。雖然銣鐘和高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器等二級(jí)頻標(biāo)的頻率穩(wěn)定度不如一級(jí)頻標(biāo),但價(jià)格低廉,體積較小,應(yīng)用范圍非常廣泛。它們被廣泛用于通信、計(jì)量、應(yīng)用電子技術(shù)、電子儀器、航空航天、雷達(dá)和因防軍工等各個(gè)領(lǐng)域,作為關(guān)鍵器件發(fā)揮著重要的作用。近年來(lái)由于通信業(yè)和軍工方面的發(fā)展和需求,我國(guó)精密石英晶體和原子頻率標(biāo)準(zhǔn)的需求也有了明顯的增長(zhǎng)。

石英晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)的三個(gè)基本技術(shù)指標(biāo)是準(zhǔn)確度、穩(wěn)定度和老化率。晶振頻率標(biāo)準(zhǔn)和計(jì)時(shí)的精確度會(huì)受到科技發(fā)展水平的限制。影響頻率穩(wěn)定度和準(zhǔn)確度主要是溫度和老化,因此,國(guó)內(nèi)外正在投入大量精力研究修正這些影響。下面詳細(xì)介紹這三種技術(shù)指標(biāo)

1.晶振頻率準(zhǔn)確度

用來(lái)描述頻率標(biāo)準(zhǔn)輸出的實(shí)際頻率值與其標(biāo)稱頻率值的相對(duì)偏差。因?yàn)槭茴l率標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)在因素和外部環(huán)境(如溫度、濕度、壓力、震動(dòng)等)的影響,實(shí)際石英晶振頻率值并不是固定不變的,而是在一定范圍內(nèi)有起伏的值。計(jì)算表達(dá)式如下:

式中A為頻率準(zhǔn)確度;fX為實(shí)際頻率值;fO后為標(biāo)稱頻率為了得到準(zhǔn)確的fX,至少應(yīng)進(jìn)行6次測(cè)量,采樣時(shí)間應(yīng)該選擇相應(yīng)的頻率穩(wěn)定度影響可以忽略時(shí)的時(shí)間間隔。一般選擇的采樣時(shí)間為10s,使得在該時(shí)間內(nèi)被測(cè)頻標(biāo)的短期頻率穩(wěn)定度比其準(zhǔn)確度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.晶振頻率穩(wěn)定度

由于各種外界干擾,例如電子線路的熱噪聲,石英晶體諧振器內(nèi)固有噪聲,器件的老化,環(huán)境條件的變化等,都會(huì)使石英晶體振蕩器的輸出頻率相對(duì)于標(biāo)稱值發(fā)生波動(dòng),這種波動(dòng)代表了輸出頻率的不穩(wěn)定度。目前使用的頻率穩(wěn)定度表征有兩種。即:頻域表征一相對(duì)頻率起伏的功率譜密度,它表現(xiàn)為信號(hào)的頻譜不純;時(shí)域表征一阿侖方差,它表現(xiàn)為頻率平均值的隨機(jī)起伏。二者在數(shù)學(xué)上是一對(duì)傅氏變換,因而是等效的。

實(shí)際的阿侖方差計(jì)算公式為:

式中f和f,分別為第i和第i+1次測(cè)量的頻率值;后為被測(cè)頻率源的頻率標(biāo)稱值, m為測(cè)量的次數(shù)。

3.晶振老化率的表征和測(cè)量

單位時(shí)間內(nèi)平均頻率的相對(duì)漂移量叫做漂移率。在石英晶體振蕩器中一般稱為老化率,而在原子頻標(biāo)中一般稱為漂移率。大多數(shù)頻標(biāo)經(jīng)過(guò)足夠的時(shí)間預(yù)熱后連續(xù)工作,在一段不太長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)頻率的漂移呈現(xiàn)近似線性變化的特點(diǎn)。

老化率實(shí)用計(jì)算公式:

值;t為測(cè)量時(shí)序,i取1,2,3,…,N;fO為頻率源的標(biāo)稱頻率;n為一天的取樣次數(shù)。

由于石英晶振頻率值隨時(shí)間的變化并不僅僅是線性的,石英晶體振蕩器往往是對(duì)數(shù)老化規(guī)律或倒數(shù)老化規(guī)律,所以從理論上講,每天測(cè)量的點(diǎn)數(shù)n越多越好。但是從實(shí)際測(cè)量和計(jì)算的方便來(lái)講,又希望n取得越少越好。通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn),表明每天測(cè)量的次數(shù)n取兩次就可以了。經(jīng)簡(jiǎn)化后,每天測(cè)量的次數(shù)n取兩次,測(cè)量H天的日老化率KDH的基本簡(jiǎn)化公式可以寫為:

原子頻標(biāo)的日漂移率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石英晶體振蕩器,因此一般按月漂移率給出。由于漂移率呈線性規(guī)律,所以月漂移率可以用日漂移率來(lái)推算。也就是:

由于高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器的老化率從更長(zhǎng)的時(shí)間刻度來(lái)觀察呈現(xiàn)了隨著加熱時(shí)間的延續(xù)越來(lái)越小的特點(diǎn),所以國(guó)外在考察高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器的年老化率時(shí)常常是在日老化率的基礎(chǔ)上乘以系數(shù)100。

晶振作為測(cè)量元件時(shí)的重要性能參數(shù)

石英晶振本身具有很多性能參數(shù),除了前面所提及的串聯(lián)諧振頻率、并聯(lián)諧振頻率外,還有制造公差、拐點(diǎn)溫度等,已經(jīng)有很多文獻(xiàn)對(duì)此作了論述但對(duì)于測(cè)量來(lái)說(shuō),選用石英晶體的重要原因是因?yàn)樗母哳l穩(wěn)定性和極小的振幅。所以本文只對(duì)晶體的品質(zhì)因數(shù)、頻率一電流特性、頻率一溫度特性進(jìn)行了論述。

  晶體的品質(zhì)因數(shù)Q是晶體的最重要參數(shù)。在一定程度上,當(dāng)其他條件相同時(shí),Q值越高晶體振蕩器的頻率穩(wěn)定度越高,石英晶振晶體的品質(zhì)因數(shù)Q是由晶體的動(dòng)態(tài)參數(shù)決定的,即：

其中ω為測(cè)試系數(shù)。

晶振的品質(zhì)因數(shù)通常不作規(guī)定,對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)部件,Q值通常在20000-200000之間,精密晶體可高達(dá)5×10°,這比傳統(tǒng)的微懸臂的Q值要高100-1000倍。

石英晶體諧振器的頻率一電流特性,就是激勵(lì)電平和諧振頻率的關(guān)系,它是由石英晶振的物理特性決定的。激勵(lì)電平通常以晶振的耗散的功率、流過(guò)晶振的電流以及晶振兩端的電壓來(lái)量度,晶振電流的變化使其串聯(lián)諧振頻率發(fā)生交化。石英晶振的諧振頻率相對(duì)變化與晶振電流的關(guān)系,可以用下面的近似關(guān)系表示：

其中D是振的電流常數(shù)

從上述關(guān)系式可以看出,當(dāng)激勵(lì)電平增大時(shí),產(chǎn)生了以下影響:(1)頻率產(chǎn)生了漂移,長(zhǎng)期穩(wěn)定性變壞。石英晶振晶振的彈性常數(shù)發(fā)生了變化,因此引起了頻率的漂移,隨著晶振的激勵(lì)電流增高,晶振的頻率穩(wěn)定性顯著下降。(2)晶振溫度增加。當(dāng)晶振的激勵(lì)電平過(guò)高時(shí),使得石英貼片晶振被加熱到熱平衡的溫度也引起了頻率變化。(3)產(chǎn)生了寄生振蕩。(4)等效電阻加大。內(nèi)部分子運(yùn)動(dòng)加劇,使得等效電阻加大,Q值下降。

在實(shí)際測(cè)量中,當(dāng)激勵(lì)電流過(guò)大時(shí),石英貼片晶振振蕩的幅值過(guò)大,導(dǎo)致測(cè)量的精度下降,同時(shí)不易控制樣品表面與針尖之間的距離,所以一般不能采用較高的激勵(lì)電流。但是激勵(lì)電平也不能過(guò)小,否則由于噪聲電平的限制,使瞬態(tài)穩(wěn)定性變壞,這樣獲得的圖像質(zhì)量就比較差。

晶振的另外一個(gè)值得注意的參數(shù)是晶振的頻率一溫度特性,所謂晶振的頻率一溫度特性就是石英晶振的諧振器的頻率隨溫度變化而變化的特性。晶振的工作溫度變化時(shí),晶格變形,從而使得其串聯(lián)諧振電路發(fā)生變化。石英晶體諧振器在溫度較窄的范圍中,具有較小的溫度系數(shù),這就是說(shuō)頻率受溫度的變化的影響比較小。但隨著溫度變得較低(<50°C)和變得較大時(shí)(>80°C)時(shí),石英諧振器的頻率隨著溫度的變化有較大的變化。在國(guó)外的文獻(xiàn)中已經(jīng)有報(bào)道將晶振放在真空、低溫、強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境下進(jìn)行測(cè)量,這時(shí)晶振的頻率將與常溫時(shí)有

明顯的不同,而且石英晶體諧振器切型不同,晶振頻率的變化方向也不同,所以在實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該對(duì)測(cè)試溫度和環(huán)境加以控制。同時(shí)由于測(cè)試環(huán)境的變化,如何保持儀器的穩(wěn)定性, 也是一個(gè)值得注意的問(wèn)題。

億金電子從事石英晶體行業(yè)十幾年,多年來(lái)誠(chéng)信經(jīng)營(yíng),精益求精,為廣大用戶提供小尺寸,高精度,低價(jià)格晶振產(chǎn)品,并且免費(fèi)提供晶振技術(shù)資料下載.億金電子晶振廠家同時(shí)代理日本臺(tái)灣歐美進(jìn)口晶振品牌,KDS晶振,愛普生精工晶體,京瓷貼片晶振,TXC晶體,CTS晶振,IDT晶振,鴻星石英晶振,（SPXO晶振）普通晶體振蕩器,(TCXO晶振)溫補(bǔ)晶體振蕩器,(OCXO晶振)恒溫晶體振蕩器等.億金電子為品勝,奇瑞汽車,聯(lián)想電腦,中興華為等國(guó)內(nèi)多家知名企業(yè)頻率部件指定供應(yīng)商,產(chǎn)品廣泛用于航空,家居,機(jī)械,安防,電子,網(wǎng)絡(luò),通信等各種領(lǐng)域.

科技的發(fā)展讓電子元器件的市場(chǎng)不斷上漲增值，加大電子元器件使用量的同時(shí)對(duì)其功能性以及尺寸等方面也有了諸多要求。比如石英晶振，貼片晶振，石英晶體振蕩器，滿足市場(chǎng)需求從大體積8045晶振到1612晶振，尺寸改小了，技術(shù)加強(qiáng)，使用性能也提高了不少，在高端智能產(chǎn)品中具有低功耗，高穩(wěn)定精度，重量輕等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)。億金電子技術(shù)工程師下面給大家介紹石英晶振的可靠性質(zhì)以及設(shè)計(jì)分析報(bào)告。

A型石英晶振的組成

A型石英晶振結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,由底座、PCB電路板、元器件、晶體、外殼五部分組成,根據(jù)這些零部件的功能分析,可以得到A型晶振的可靠性框圖, 可靠性框圖見圖3-4

4.22A型石英晶振的可靠性要求

A型石英晶振的可靠性指標(biāo)要求如下:

(1)石英晶振在工作n年內(nèi)不發(fā)生致命故障

(2)石英晶振n年內(nèi)總的工作時(shí)間不低于:t=n×365×24。

(3)石英晶振的可靠度為0.95:即Rs=0.95。

4.2.3A型石英晶振的可靠度計(jì)算

可靠度是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件和規(guī)定的時(shí)間內(nèi),能正常完成規(guī)定功能的概率,通常用R表示。根據(jù)對(duì)A型石英晶振的結(jié)構(gòu)分析,可以看出A型石英晶振為串聯(lián)結(jié)構(gòu),可靠度計(jì)算公式如下:

RS=R1×R2×R3×…·×Rn                       公式(4-1)

A型石英晶振由四部分組成:底座、電路板、元器件、晶體、外殼。A型石英晶振可靠度計(jì)算公式如下:

RS=R1×R2×R3×R4×R5                  公式(4-2)

式中:R、R2、R3、R4、R5分別代表底座、電路板、晶體、元器件、外殼的可靠度。

4.24A型石英晶振的可靠性預(yù)計(jì)

可靠性預(yù)計(jì),顧名思義指的是對(duì)石英晶振產(chǎn)品在規(guī)定的工作條件下進(jìn)行可靠行估計(jì)也就是根據(jù)類似產(chǎn)品的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)或組成該產(chǎn)品的各單元的可靠性數(shù)據(jù),對(duì)石英晶振產(chǎn)品給定工作或非工作條件下的可靠性參數(shù)進(jìn)行估算。

可靠性預(yù)計(jì)的意義主要有:

(1)為產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的可靠性設(shè)計(jì)提供依據(jù)

(2)為產(chǎn)品的維護(hù)階段提供有價(jià)值的信息。

3)站在可靠性設(shè)計(jì)的角度,篩選設(shè)計(jì)方案,尋找最佳設(shè)計(jì)方案。

(4)為改進(jìn)設(shè)計(jì)方案提供理論支持。

可靠性預(yù)計(jì)的方法主要有上下限法、元件計(jì)數(shù)法、相似產(chǎn)品法、應(yīng)力分析法評(píng)分法、故障率預(yù)計(jì)法、性能參數(shù)預(yù)計(jì)法。根據(jù)W公司實(shí)際情況,本文采用應(yīng)力分析法對(duì)石英晶振進(jìn)行可靠性預(yù)計(jì)。因?yàn)锳型石英貼片晶振的主要部件的故障率均可通過(guò)供應(yīng)商得到,所以本文采用應(yīng)力分析法。采用GJB/Z299C-2006預(yù)計(jì)手冊(cè)。故障率預(yù)計(jì)法的計(jì)算公式為:

4.2.5A型石英貼片晶振的可靠性分配

石英晶振可靠性分配指的是將整個(gè)系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)分配給各個(gè)組成部分,是將可靠性指標(biāo)總整體到局部,從上到下進(jìn)行分配的過(guò)程。可靠性分配有以下意義:將石英貼片晶振產(chǎn)品的整體可靠性指標(biāo)進(jìn)行分配,分配到產(chǎn)品的下級(jí)組成部分,可以使每個(gè)組成分的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)更加準(zhǔn)確細(xì)致,便于可靠性設(shè)計(jì)人員進(jìn)行分析。

貼片晶振可靠性分配方法主要有 AGREE分配法、拉格朗日乘數(shù)法、比例分配法、評(píng)分分配法、復(fù)雜度分配法、動(dòng)態(tài)規(guī)劃法、重要度法、直接尋查法。

本文采用 AGREE分配法對(duì)A型石英晶振進(jìn)行可靠性分配, AGREE分配法將整體的每一個(gè)組成單元的復(fù)雜度和重要度納入到可靠性分配中。 AGREE方法的核心是:失效率的分配和整體的各個(gè)組成單元的重要度和復(fù)雜度有關(guān),組成單元越重要,分配的失效度就應(yīng)該越高。相反,組成單元的重要度越高,分配的失效度就應(yīng)該有所減少。也就是說(shuō),分配給每個(gè)組成單元的失效度是加權(quán)的,加權(quán)因子C與組成單元復(fù)雜度成正比,與組成單元的重要度成反比。

單元或子系統(tǒng)的復(fù)雜度的定義為單元中所含的重要零件、組件(其失效會(huì)引起單元失效)的數(shù)目Ni(i=1,2.n)與系統(tǒng)中重要零、組件的總數(shù)N之比,即第i個(gè)單元的復(fù)雜度為：

假定設(shè)備的壽命符合指數(shù)分布,則可靠度為:

單元或子系統(tǒng)的重要度的定義為該單元的失效而引起的系統(tǒng)失效的概率。其表示為考慮裝置的重要度之后,把系統(tǒng)變成一個(gè)等效的串聯(lián)系統(tǒng),則系統(tǒng)的可靠度Rs可以表示為考慮裝置的重要度之后,把系統(tǒng)變成一個(gè)等效的串聯(lián)系統(tǒng),則系統(tǒng)的可靠度Rs可以表示為：

考慮裝置的重要度之后,把系統(tǒng)變成一個(gè)等效的串聯(lián)系統(tǒng),則系統(tǒng)的可靠度Rs可以表示：

式中：

Wi —為系統(tǒng)的失效率

Ki —產(chǎn)為單元的復(fù)雜度

石英晶振的頻率是出石英品片的厚度以及電極膜的厚度決定的,為此,當(dāng)調(diào)整此厚度就可以調(diào)整石英晶振的頻率。石英晶振的制作過(guò)程是先將石英晶片從石英晶體上按一定角度切下,然后按一定尺寸進(jìn)行研磨,接著在晶振晶片兩面涂覆金屬電極層,此時(shí)與目標(biāo)頻率相差2000ppm~3000p0m,每個(gè)電極層與管腳相連與周圍的電子元器件組成振蕩電路,隨后進(jìn)行頻率微調(diào),使其與目標(biāo)頻率的差可以減少到2ppm以下。最后加上封裝外殼就完成了。

石英晶振的頻率微調(diào)是對(duì)每個(gè)石英晶振邊測(cè)頻率,邊調(diào)整電極膜的厚度。使頻率改變,達(dá)到或接近目標(biāo)頻率。電極膜厚的調(diào)整方法主要有兩種,真空蒸著法和離子束刻蝕法。

真空蒸著法是在石英晶片的電極膜上用加熱蒸著的辦法繼續(xù)增加電極膜的厚度, 達(dá)到調(diào)整頻率的目的。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于控制。缺點(diǎn)是在石英貼片晶振晶片表面產(chǎn)生多層電極膜,并且密著度會(huì)變差,當(dāng)石英晶振小型化時(shí),會(huì)使原來(lái)的電極膜和調(diào)整膜的位置發(fā)生偏移,使石英晶振的電氣性能降低.

離子刻蝕頻率微調(diào)法,是用離子束將電極膜打簿,調(diào)整石英晶振的頻率。因此,不會(huì)產(chǎn)生多層電極膜,也不會(huì)有電極膜和調(diào)整膜的位置偏移,石英晶振的電氣性能也不會(huì)降低。

      Ecliptek日蝕晶振公司成立于1987年,是一家石英晶振晶體,貼片晶振頻率元件控制市場(chǎng)上公認(rèn)的領(lǐng)導(dǎo)者.日蝕晶振公司擁有先進(jìn)的產(chǎn)品和領(lǐng)先的技術(shù)使我們能夠?yàn)榭蛻籼峁┳詈玫氖⒕w,貼片晶振,石英水晶和有源晶振,石英晶體振蕩器,貼片振蕩器產(chǎn)品.

      美國(guó)日蝕晶振在行業(yè)也具備了一定的知名度,日蝕晶振公司擁有先進(jìn)的產(chǎn)品和領(lǐng)先的技術(shù)使我們能夠?yàn)榭蛻籼峁┳詈玫氖⒕w,貼片晶振,32.768K晶振和有源晶振,石英晶體振蕩器,貼片振蕩器產(chǎn)品.

      對(duì)于目前的市場(chǎng)上來(lái)說(shuō),小體積的產(chǎn)品才是主打產(chǎn)品,也是各領(lǐng)域中需求量較多的貼片晶振,小體積的產(chǎn)品具備更高的穩(wěn)定性和可靠性能,E4WSDC12-32.768K晶振、E8WSDC12-32.768K晶振等以上表格所有產(chǎn)品,均為目前市場(chǎng)上最小體積的32.768K晶振,該系列產(chǎn)品體積小型,厚度薄,重量輕,均符合歐盟ROHS標(biāo)準(zhǔn),滿足無(wú)鉛高溫回流焊接曲線要求.32.768K時(shí)鐘晶振主要使用于時(shí)鐘產(chǎn)品等領(lǐng)域,其他產(chǎn)品看是否匹配.

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    2018年1月27日

石英晶體的彈性常數(shù)

通過(guò)上節(jié)討論,我們已經(jīng)知道石英晶體的彈性常數(shù)矩陣為：

晶體的彈性常數(shù)反映晶體的彈性性質(zhì)。從這些彈性常數(shù)矩陣看出,用雙足標(biāo)表示的彈性常數(shù)共有36個(gè)分量。三斜晶系是完全各向異性體,對(duì)稱性最低,36個(gè)不等于零的彈性常數(shù)分量中,獨(dú)立的分量有21個(gè)。而石英晶體諧振器,石英晶體的獨(dú)立彈性常數(shù)分量為6個(gè)。

當(dāng)彈性常數(shù)s和c，的足標(biāo)i，=1，2，3時(shí)，它分別表示沿x，y，z方向的彈性伸縮性質(zhì)；當(dāng)i，j4，5，6時(shí)，它分別表示沿x，y，z平面的切變性質(zhì)；當(dāng)i≠j它分別表示兩種伸縮之間或兩種切變之間，以及伸縮與切變之間的彈性耦合性質(zhì)。這種彈性常數(shù)又稱為交叉彈性常數(shù)，現(xiàn)在以石英貼片晶振,石英晶體的彈性柔順常數(shù)為例，進(jìn)一步說(shuō)明如下：

（1）與石英晶體伸縮性質(zhì)有關(guān)的彈性柔順常數(shù)為s11，s22(=s11），s33。

（2）與石英晶體伸縮之間耦合性質(zhì)有關(guān)的交叉彈性柔順常數(shù)為：s12，s13，S2（=S13）。

（3）與石英晶體切變性質(zhì)有關(guān)的彈性柔順常數(shù)為s44=s55，s55)，s66.

（4）與石英晶體切變之間耦合性質(zhì)有關(guān)的交叉彈性柔順常數(shù)為：s56(=2S14).

（5）與石英晶振晶體伸縮和切變之間耦合性質(zhì)有關(guān)的交叉彈性柔順常數(shù)為：s14，524（=-S14)。

石英晶體的原子面符號(hào)

石英晶體和非晶體本質(zhì)差別在于它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否存在周期性。為了描述晶體結(jié)構(gòu)的周期性,用空間點(diǎn)陣來(lái)模擬晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過(guò)點(diǎn)陣的“點(diǎn)子”作三組向不同的平行線,就構(gòu)成了空間格子,稱為“晶格”,如圖1.2.1。

圖1.2.1晶格示意圖

整個(gè)空間格子是由一個(gè)單元重復(fù)排列的結(jié)果,這個(gè)重復(fù)單元就稱為“晶胞”。晶胞是石英晶體結(jié)構(gòu)的基本單元,晶胞的形狀和大小由晶胞參數(shù)(晶胞的幾個(gè)邊長(zhǎng)和這幾個(gè)邊長(zhǎng)之間的夾角)來(lái)決定。晶胞的選擇不是唯一的,除反映晶體內(nèi)部的周期性外,還要反映晶體的外部對(duì)稱性。

石英晶體的晶胞是選擇如圖1.2.2所示的六角晶胞,其晶胞參數(shù)為c=b=d4.9404A;c=5.394A;a=B=90°;y=120°

圖1.2.2六角晶胞示意圖

在晶體點(diǎn)陣中,通過(guò)任一點(diǎn)子,可以作全同的原子面和一原子面平行,構(gòu)成一族平行原子面。這樣一族原子面包含了所有點(diǎn)子,它們不僅平行而且等距,各原子面上點(diǎn)子分布情況相同。晶體中有無(wú)限多族平行原子面。不同族原子面在石英晶振晶體中的方位不同,原子面的間距不同,原子在原子面上的分布不同,相應(yīng)的物理性質(zhì)也不同。因此,我們用原子面指數(shù)來(lái)表示該族原子面的方位,代表該族原子面。為了表明各個(gè)原子面,一般采用原子面指數(shù)(hk)表示,只有三角晶系和六角晶系才采用原子面指數(shù)(hki1)表示,現(xiàn)分別介紹如下。

一、一般晶系原子面指數(shù)表示法

從幾何學(xué)中知道要描述一個(gè)平面的方位,就要選一個(gè)坐標(biāo)系,然后標(biāo)出這個(gè)平面在此坐標(biāo)軸上的截距,或標(biāo)出這個(gè)平面的法線在此坐標(biāo)系中的方向余弦,描述原子面的方位也是如此。選某一原子(或離子、分子)的重心為坐標(biāo)原點(diǎn),以晶胞的三個(gè)邊a、b、c(即晶軸)為坐標(biāo)系,但應(yīng)注意：

(1)由貼片晶振晶軸組成的坐標(biāo)系不一定是直角坐標(biāo)系

(2)晶軸上的長(zhǎng)度單位分別為晶格常數(shù)a、b、c,所以截距的數(shù)值是相應(yīng)晶格常數(shù)的倍數(shù)。

例如M1、M2、M3原子面與三個(gè)晶軸分別交于M1、M2、M3點(diǎn),如圖1.2.3所示,三個(gè)截距為

圖1.2.3(236)原子面

知道了原子面在坐標(biāo)中的截距,就等于知道原子面在晶體中的方位,所以也可用截距p、q、r來(lái)標(biāo)志原子面,但由于原子面與某晶軸平行時(shí)相應(yīng)的截距為無(wú)限大,為了避免出現(xiàn)無(wú)限大,改用截距倒數(shù)的互質(zhì)比。

來(lái)標(biāo)記原子面,為了簡(jiǎn)化常略去比例記號(hào),采用(hk)表示,(hk)就稱為原子面指數(shù)(或晶面指數(shù)、密勒指數(shù)),例如圖1.2.3中原子面指數(shù)為(2,3,6)即：

有時(shí)也稱MM2M3平面為(2,3,6)原子面,圖1.2.4中標(biāo)出了一些簡(jiǎn)單的原子面指數(shù),因?yàn)?b>有源晶振,石英晶振晶軸有正向、負(fù)向之分,所以原子面指數(shù)也有正、負(fù)之分,通常將負(fù)號(hào)寫在指數(shù)的上面,例如(010)原子面,就表示原子面與a軸、c軸平行,與b軸的截距為-b。

圖1.24一些簡(jiǎn)單的原子面指數(shù)

六角晶系和三角晶系原子面指數(shù)表示法上述原子面表示法可用于全部晶系,具有普遍性,但在六角晶系中采用四個(gè)晶軸的坐標(biāo)系比較方便,四個(gè)晶軸中的a、b、d、軸在同一平面上,互成120°0,夾角,c軸則與此平面垂直。原子面指數(shù)(hk1)中h、k、i、l則分別對(duì)應(yīng)于a、b、d、c軸截距倒數(shù)的互質(zhì)比。例如,某原子面與四個(gè)晶軸分別交于M1M2M3M4點(diǎn),如圖1.2.5所示四個(gè)截距為

OM2=pa=4a

OM2=qb=4b

OM3=rc=2c

OM4=td=-2d

圖1.2.5(1122)原子面

這些截距倒數(shù)的互質(zhì)比為

可見圖M1M2M3M4面的原子面指數(shù)為 (1122)。

圖12.2表示六角晶胞的原子面指數(shù),圖1.2.5表示右旋石英晶振,石英晶體的部分原子面指數(shù),從這些的原子面指數(shù)中可以看出:

(1)存在這樣的規(guī)律,即h+k+i=0。這就是說(shuō),在h,k,i中,只要知道其中兩個(gè)即可確定第三個(gè),利用這種關(guān)系,有的資料中把原子面指數(shù)(h k i l)簡(jiǎn)寫為(h k l)。

(2)通過(guò)(hkiD)原子面的前三個(gè)指數(shù)h,k,i全部排列,可得六個(gè)原子面,這六個(gè)原子面與z軸平行,X射線的反射角(即掠射角) θ相同。其物理性質(zhì)也相同。如(1010)原子面,將前三個(gè)指數(shù)全部排列,即得六個(gè)原子面為(1010),(1100),(0110),(100),(0110),(1010)這就是石英晶體的六個(gè)m面。

(3)通過(guò)對(duì)(hki1)原子面的三個(gè)指數(shù)h,k,l全排列,以及將第四個(gè)指數(shù)l(l0)變號(hào)后再排序,可得十二個(gè)原子面,根據(jù)晶體的對(duì)稱性發(fā)現(xiàn)這十個(gè)原子面可分為二組,每組六個(gè)原子面,同一組原子面的性質(zhì)完全相同例如:(1011)原子面,將前三個(gè)的指數(shù)全排列,即得六個(gè)原子面為(101i),(1101),(0111),(1101),(011),(1011)將第四個(gè)指數(shù)變號(hào)后,再全排列,又得六個(gè)原子面為(1011),(101),(011),(1101),(0111),(1011)將這十二個(gè)原子面分成兩組,前三個(gè)和后三個(gè)原子面為一組,中間六個(gè)原子

面為一組,即:

甲組:(1011),(1101),(0111),(1101),(0111),(1011)

乙組:(1101),(011),(1011),(1011),(1101),(01)

將這些結(jié)果與圖1.2.6比較,即可看出,甲組原子面就是石英晶體中的六的R面,乙組原子面就是石英晶體中的六個(gè)r面

(a)右旋石英晶體(b)上部R面和r面(c)下部R面和r面

圖1.2.6右旋石英晶體的原子面指數(shù)