加速度敏感性降低的双旋转石英晶体谐振器的制作方法

1.本发明涉及在需要精确和稳定的频率基准和/或定时信号的各种应用中使用的频率控制产品。更具体地，本发明涉及机械加速度敏感性降低的双旋转石英晶体谐振器和晶体振荡器设备。


背景技术：

2.高频稳定性电子振荡器通常由石英晶体谐振器构成。石英晶体谐振器包括安装的压电谐振元件以及将谐振器连接到电子电路以维持谐振器稳定振动的装置。
3.石英晶体谐振元件通常由石英片(“石英晶片”)制成，该石英片是通过相对于材料的晶轴以一定角度切割石英材料(“石英棒”)而制成的。谐振元件的各种性能取决于在石英片制造期间施加的切割角。虽然可相对于晶轴x、y和z切割石英片的方式有无限多，但是已经发现某些切割会导致谐振器的特别有用的性能。图1示出了广泛使用的单旋转切割和双旋转切割的取向。当通过施加远离z轴(θ角)绕x轴旋转来制备石英片时，得到一个单旋转的切割片1。这样的旋转限定了单旋转片1的新的轴yi和zi，而片的xi轴保持平行于晶轴x。当通过施加双旋转(相对于x轴为φ角绕z轴旋转以及相对于z轴为θ角绕x轴旋转)来制造石英片时，获得双旋转切割片2，从而限定双旋转片2的新的xi、yi和zi轴。单旋转片1和双旋转片2中的xi轴都保持垂直于晶轴z(即，成90
°
)。
4.单旋转的切割的一个实例是通常使用的at切割，当通过施加与z轴成大约35
°
(θ角)绕x轴旋转而制得石英片时，获得该at切割。at切割呈现出可用于设计和制造温度补偿晶体振荡器的性能。应力补偿切割sc切割是双旋转切割的一个实例，当通过施加双旋转切割(相对于x轴大约22
°
(φ角)绕z轴旋转，从而限定sc切割片的xi轴，以及相对于z轴大约34
°
(θ角)绕x轴旋转)来制得石英片时，获得该双旋转切割。可以说，sc切割石英晶体谐振器补偿了沿其面内轴施加的机械应力。it切割是双旋转切割的另一个实例(φ≈19
°
，θ≈34
°
)，其表现出与sc切割相似的性能。
5.通过将石英片切割(“划切”)成单个“晶体坯料”来制造单个石英晶体谐振元件；谐振元件可以制成各种形状，其中圆形和矩形(“条形”)谐振元件是常用的谐振元件。
6.已知有多种谐振元件安装和封装技术。例如，如图2(现有技术)所示，矩形(“条形”)谐振元件6可以不对称地安装在谐振器封装1内，使用悬臂安装结构，在谐振元件6的一端具有一个或多个安装点，并且谐振元件的第二端是自由的；通常，使用一个或两个导电胶点5将谐振元件6安装到导电垫4上，并使用盖子3和密封圈2密封封装。
7.图3(现有技术)示出了使用悬臂安装装置安装在谐振器封装1内的矩形谐振元件6的横截面图，该悬臂安装装置包括位于谐振元件6的一端处的两个安装胶点5，并且谐振元件的另一端是自由的(即，无支撑的)。可以限定从谐振元件6的支撑端延伸到其自由端的谐振元件的几何对称线7。
8.图4(现有技术)示出了使用悬臂安装装置安装在谐振器封装1内的矩形谐振元件6的横截面图，其中在谐振元件6的一端处仅有一个安装胶点5，而谐振元件的另一端是自由
的(即，无支撑的)。可以限定从谐振元件6的支撑端延伸到其自由端的谐振元件的几何对称线7。
9.在现有技术中，通过切割石英片以使上述几何对称线与片的xi轴平行(即，成0度角)来制造单个谐振元件，如上所述，片的xi轴相对于晶轴x成一角度φ定位并且垂直于晶轴z。
10.与石英晶体谐振器和使用石英晶体谐振器的振荡器设备相关的众所周知的问题是它们对机械加速度的敏感性。它表现为谐振器的谐振频率的变化，或者由外部施加的机械加速度引起的晶体振荡器的输出信号的频率的变化。在存在显著机械加速度的应用中使用的炉控晶体振荡器(ocxo)和温度补偿晶体振荡器(tcxo)中，双旋转石英晶体谐振器对机械加速度的敏感性常常是有问题的。
11.现有技术中已知某些降低对加速度的敏感性的方法，诸如，在美国专利7,247,978和美国专利7,915,965中公开的那些方法。
12.本发明的目的是提供一种在悬臂安装的双旋转晶体谐振器中降低对机械加速度的敏感性的新方法。


技术实现要素：

13.一方面，可以说，本发明包括一种制造双旋转石英晶体谐振器的方法，所述双旋转石英晶体谐振器包括悬臂安装的双旋转谐振元件，所述方法包括以下步骤：当将石英片切割成单个谐振元件时，施加围绕yi轴并远离xi轴的非零度角面内旋转。
14.另一方面，可以说，本发明包括双旋转石英晶体谐振器，所述双旋转石英晶体谐振器包括悬臂安装的双旋转谐振元件，其中几何对称线从悬臂安装的谐振元件的支撑端延伸到其自由端，相对于晶轴z以不同于90
°
的角度定位。换言之，在本发明的悬臂安装的双旋转谐振元件中，从悬臂安装的谐振元件的支撑端延伸到其自由端的几何对称线不垂直于制造谐振元件的石英晶体材料的晶体学z轴。所述的非垂直性是由于在谐振元件制造期间所施加的上述非零度角面内旋转。
15.另一方面，可以说，本发明包括一种制造双旋转sc切割石英晶体谐振器的方法，所述双旋转sc切割石英晶体谐振器包括悬臂安装的谐振元件，所述方法包括以下步骤：当将石英片切割成单个谐振元件时，在36
°
至56
°
的方位角范围内，施加面内旋转(围绕yi轴，远离xi轴)。
16.另一方面，可以说，本发明包括双旋转sc切割石英晶体谐振器，所述双旋转sc切割石英晶体谐振器包括悬臂安装的sc切割谐振元件，其中从悬臂安装的谐振元件的支撑端延伸到其自由端的几何对称线相对于结晶轴z以不同于90
°
的角度定位。换言之，在本发明的悬臂安装的双旋转sc切割谐振元件中，从悬臂安装的谐振元件的支撑端延伸到其自由端的几何对称线不垂直于制成谐振元件的石英晶体材料的晶体学z轴。所述的非垂直性是由于在制造谐振元件期间所施加的上述围绕yi远离xi轴的方位角范围为36
°
至56
°
的面内旋转。
17.另一方面，可以说，本发明包括一种石英晶体振荡器，所述石英晶体振荡器包括根据上述说明的双旋转悬臂安装的谐振器。
18.另一方面，可以说，本发明包括一种电子设备，所述电子设备包括根据上述说明的石英晶体振荡器。
19.在本说明书中使用的术语“包括(comprising)”是指“至少部分地由其组成”。当解释含有术语“包括”的本说明书中的每个语句时，也可以存在不同于该术语的特征或以该术语为开头的特征。相关术语如“包括(comprise)”和“包括(comprises)”将以相同的方式解释。
附图说明
20.参考附图进一步描述本发明，其中：
21.图1示出了单旋转切割和双旋转切割的取向(现有技术)。
22.图2是悬臂安装的条形晶体谐振器(现有技术)的结构的示意性横截面图。
23.图3是两点悬臂安装的谐振元件(现有技术)的示意性横截面图。
24.图4是单点悬臂安装的谐振元件(现有技术)的示意性横截面图。
25.图5示出了根据现有技术的石英晶片划切。
26.图6示出了根据本发明的晶片划切。
27.图7示出了根据本发明利用面内旋转将晶片划切成多个谐振元件。
28.图8示出了用于两点悬臂安装的sc切割谐振器的方向和总加速度敏感性相对于面内旋转角的曲线图。
29.图9示出了用于单点悬臂安装的sc切割谐振器的方向和总加速度敏感性相对于面内旋转角的曲线图。
30.图10a、图10b、图10c和图10d是多个单点悬臂安装的sc切割带谐振器的x、y、z以及对加速度的总敏感性的曲线图，在随后的实验实施例中将进一步提到。
具体实施方式
31.如上所述，根据本发明，利用晶片划切面内旋转来制造双旋转石英晶体谐振器元件。
32.图5和图6示出了本发明的概念。在图5(现有技术)中，切割分别相对于晶轴x和z以φ和θ的角度切割的双旋转石英晶片2，以产生单独的双旋转谐振元件。为了说明的目的，图5中示出了单个谐振元件6；在实践中，由石英晶片制得多个谐振元件。在现有技术中，通过沿平行于xi轴的方向以及垂直于xi轴的方向划切晶片来制造单个谐振元件。由此产生的谐振元件的几何对称线与晶片的xi轴平行并因此与晶体学z轴成90
°
(如角度α所示)。在图6中，分别相对于晶轴x和z以φ和θ的角度切割双旋转石英晶片2，用于制造根据本发明的单个双旋转谐振元件。取代如现有技术中所做的通过沿平行于xi的方向以及垂直于xi的方向划切晶片来制造谐振元件(图5)，本发明的谐振元件是通过相对于xi轴以一定的非零度角ψ(方位角)的面内旋转划切晶片而产生的(图6)。由现有技术的方法产生的谐振元件6及其几何对称线7也示于图6中，以说明面内旋转。根据本发明产生的谐振元件6a的几何对称线7a不平行于晶片的xi轴并且不垂直于晶体学z轴，即角α≠90
°
。可以看出，根据本发明产生的谐振元件6a的几何对称线7a与晶体学z轴之间的角度α的精确值由表达式α＝90
°‑
arcsin(cosθ
×
sinψ)确定。
33.如上所述，如图7所示，通常由单个石英晶片制得几个谐振元件。其中图中示出了石英晶片及其xi、yi和zi轴，以及根据本发明的划切(虚)线，该划切(虚)线相对于xi轴以非
零度角ψ进行面内旋转。
34.根据本发明产生的双旋转谐振元件对机械加速度的敏感性随面内旋转(方位)角ψ的值而变化，并且取决于面内旋转(方位)角ψ的值，并且通过选择方位角的特定值，可以最小化或至少降低对机械加速度的敏感性。如本文进一步解释的，特定的面内旋转角ψ的值的选择取决于诸如谐振元件的悬臂安装的结构以及要实现的加速度敏感性降低的程度之类的因素。
35.与现有技术的谐振元件(图3和图4)一样，本发明的双旋转谐振元件也可以悬臂安装在位于谐振元件一端的两个安装点上或一个安装点上，谐振元件的另一端是自由的。
36.如图8所示，本发明的双旋转两点悬臂安装的sc切割谐振元件对机械加速度的敏感性随面内旋转角而变化，其中在三个相互垂直的方向x、y和z(伽马x、伽马y和伽马z)中的每一个方向上的加速度敏感性以及总加速度敏感性(伽马rms)被绘制为面内旋转角ψ的函数。加速度敏感性值以每加速度的十亿分之一频率变化(ppb/g)为单位进行测量，而角ψ值以角度进行测量。
37.如图8所示，当施加36
°
≤ψ≤56
°
的面内旋转以由双旋转sc切割石英晶片产生谐振元件时，总加速度敏感性“伽马rms”(沿三个相互垂直方向的方向加速度敏感性值“伽马x”、“伽马y”、“伽马z”的均方根值)约为其最小值。与没有面内旋转(即图8中的零旋转角)产生的两点悬臂安装的sc切割谐振器显示出约3ppb/g的总加速度敏感性相比，类似地，用36
°
≤ψ≤56
°
的面内旋转产生的安装sc切割谐振器显示出低于1ppb/g的总加速度敏感性。
38.如图9所示，本发明的双旋转单点悬臂安装的sc切割谐振元件对机械加速度的敏感性随面内旋转角而变化，其中在三个相互垂直的方向x、y和z(伽马x、伽马y和伽马z)中的每一个方向上的加速度敏感性以及总加速度敏感性(伽马rms)被绘制为面内旋转角ψ的函数。加速度敏感性值以每加速度的十亿分之一频率变化(ppb/g)为单位进行测量，而角ψ值以角度进行测量。
39.如图9所示，当施加36
°
≤ψ≤56
°
的面内旋转以由双旋转sc切割石英晶片产生谐振元件时，总加速度敏感性“伽马rms”(沿三个相互垂直方向的方向加速度敏感性值“伽马x”、“伽马y”、“伽马z”的均方根值)约为其最小值。与没有面内旋转(即图9中的零旋转角)产生的单点悬臂安装的sc切割谐振器显示出约4.5ppb/g的总加速度敏感性相比，类似地，用36
°
≤ψ≤56
°
的面内旋转产生的安装sc切割谐振器显示出低于2ppb/g的总加速度敏感性。
40.如上所述，在本发明的双旋转谐振元件中，几何对称线不垂直于晶体学z轴(角α≠90
°
)，并且根据本发明产生的谐振元件的几何对称线与晶体学z轴之间的角α的精确值由上述表达式确定。根据该表达式，对于具有θ＝34
°±
20’的双旋转谐振元件(诸如，例如sc切割和it切割谐振元件)和36
°
≤ψ≤56
°
的面内旋转角，角α将在46
°
至61
°
的范围内。
41.应当注意，方位角的符号(例如，正 46
°
或负-46
°
)实际上取决于在特定制造商处实施的制造过程中所采用的规例：即，一些制造商将认为顺时针面内旋转是“正”，而其它制造商可能称逆时针面内旋转是“正”。如图8和图9所示，仅沿一个方向的面内旋转将导致对加速度的敏感性降低。对于本发明的任何实施例，重要的一点是选择合适的方位角绝对值。
42.实施例
43.多个单点悬臂安装的sc切割(θ＝33
°
45'，φ＝21
°
56’)，产生尺寸为5.0mm
×
3.2mm、标称谐振频率为19.2mhz的条形谐振器，其面内旋转(方位)角ψ为36
°
、46
°
和56
°
，在
三个相互垂直的方向x、y和z上测量它们对加速度的敏感性，根据测量结果确定总敏感性。结果绘制在图10a至图10d中，其中图10a绘制了x轴加速度敏感性幅度值，图10b绘制了y轴加速度敏感性幅度值，图10c绘制了z轴加速度敏感性幅度值，以及图10d绘制了三个面内旋转角(36
°
、46
°
和56
°
)中的每一个的总加速度敏感性幅度值。在这些图中，每个数据点表示一个谐振器在该面内旋转角值下的结果，并且虚线通过每个角上的数据点的平均值来绘制估计的关系。它是根据图10a至图10d所示的实验数据得出的，当制造单点悬臂安装的sc切割谐振器时，施加36
°
至56
°
的面内旋转，允许将谐振器的总加速度敏感性降低到低于1ppb/g的水平。
44.因此，通过在制造双旋转石英晶体谐振元件的晶片划切过程中施加特定的面内旋转，可以显著降低悬臂安装的条形谐振器对机械加速度的敏感性。
45.用于双旋转石英晶体谐振器制造的面内旋转角的特定值的选择取决于谐振器设计目标。例如，如果sc切割单点悬臂安装的谐振器设计旨在获得对加速度的总敏感性最小，那么，如图10d所示，应当选择紧邻46
°
的面内旋转角值来制造本发明的谐振元件。另一方面，如果谐振器用于对方向z上的加速度的敏感性降低特别重要的应用，则将选择较小的面内旋转角用于制造，可能在36
°
至46
°
的范围内(参见图10c)，这将导致在x方向上甚至更低的加速度敏感性，尽管其代价为总加速度敏感性值轻微增加。
46.本发明的悬臂安装的双旋转石英晶体谐振器可用于各种频率控制产品中，包括但不限于晶体振荡器(xo)、温度补偿晶体振荡器(tcxo)和炉控晶体振荡器(ocxo)。这些设备又将有益于各种电子设备和系统的性能，包括但不限于无线电通信设备，其中降低参考频率对机械加速度的敏感性至关重要。