石英晶振仪原理讲解.ppt

石英晶振简介 一：石英晶振的原理 二：膜厚控制仪原理 三：晶振片的选择 四：使用晶振片注意事项 一： 石英晶振的原理 薄薄圆圆的晶振片，来源于多面体石英棒，先被切成闪闪发光的六面体棒，再经过反复的切割和研磨，石英棒最终被做成一堆薄薄的（厚0.23mm，直径13.98mm）圆片，每个圆片经切边，抛光和清洗，最后镀上金属电极（正面全镀，背面镀上钥匙孔形），经过检测，包装后就是我们常用的晶振片了。 用于石英膜厚监控用的石英芯片采用AT切割，对于旋光率为右旋晶体，所谓AT切割即为切割面通过或平行于电轴且与光轴成顺时针的特定夹角。AT切割的晶体片其振动频率对质量的变化极其灵敏，但却不敏感于温度的变化。这些特性使AT切割的石英晶体片更适合于薄膜淀积中的膜厚监控。 石英晶体是离子型的晶体，由于结晶点阵的有规则分布，当发生机械变形时，例如拉伸或压缩时能产生电极化现象，称为压电现象。例石英晶体在9.8×104Pa的压强下，承受压力的两个表面上出现正负电荷，产生约0.5V的电位差。压电现象有逆现象，即石英晶体在电场中晶体的大小会发生变化，伸长或缩短，这种现象称为电致伸缩。 石英晶体压电效应的固有频率不仅取决于其几何尺寸，切割类型而且还取决于芯片的厚度。当芯片上镀了某种膜层，使芯片的厚度增大，则芯片的固有频率会相应的衰减。石英晶体的这个效应是质量负荷效应。石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频率有关的参量的变化而监控淀积薄膜的厚度。 石英晶体法监控膜厚，主要是利用了石英晶体的压电效应和质量负荷效应。 石英晶体的固有频率f不仅取决于几何尺寸和切割类型，而且还取决于厚度d，即 f=N/d，N是取决与石英晶体的几何尺寸和切割类型的频率常数。对于AT切割的石英晶体，N=f · d=1670Kc·mm。 石英晶体厚度增量产生的晶体频率变化: 物理意义是：若厚度为d的石英晶体厚度改变 △d，则晶振频率变化 △f,式中的负号表示晶体的频率随着膜厚的增加而降低.然而在实际镀膜时,沉积的是各种膜料,而不都是石英晶体材料,所以需要把石英晶体厚度增量△d通过质量变换转换成膜层厚度增量△dM,即 A是受镀面积，ρM为膜层密度，ρQ为石英密度等于2.65g/cm3 。于是 △d=（ ρM / ρQ ） △dM，所以 镀膜时膜厚增量产生的晶体频率变化: 石英晶体膜厚控制仪有非常高的灵敏度，可以做到埃数量级，显然晶体的基频越高，控制的灵敏度也越高，但基频过高时，晶体片会做得太薄，太薄的芯片易碎。 所以一般选用的晶体片的频率范围为5~10MHz。在淀积过程中，基频最大下降允许2~3%，大约几百千赫。基频下降太多，振荡器不能稳定工作﹐产生跳频现象。如果此时继续淀积膜层，就会出现停振。为了保证振荡稳定和有高的灵敏度，晶体上膜层镀到一定厚度后，就应该更换新的晶振片。 此图为膜系镀制过程中部分频率与厚度关系图。 三 晶振片的选择 晶振片的电极对膜厚监控、速率控制至关重要。目前，市场上提供三种标准电极材料：金、银和合金。 金是最广泛使用的传统材料，它具有低接触电阻，高化学温定性，易于沉积。金最适合于低应力材料，如金，银，铜的膜厚控制。用镀金晶振片监控以上产品，即使频率飘移1MHz，也没有负作用。然而，金电极不易弯曲，会将应力从膜层转移到石英基片上。转移的压力会使晶振片跳频和严重影响质量和稳定性。 银是接近完美的电极材料，有非常低的接触电阻和优良的塑变性。然而，银容易硫化，硫化后的银接触电阻高，降低晶振片上膜层的牢固性。 银铝合金晶振片最近推出一种新型电极材料，适合高应力膜料的镀膜监控，如SiO， SiO2，MgF2，TiO2。这些高应力膜层，由于高张力或堆积的引力，经常会使晶振片有不稳定，高应力会使基片变形而导致跳频。这些高应力膜层，由于高张力或堆积的引力，经常会使晶振片有不稳定，高应力会使基片变形而导致跳频。银铝合金通过塑变或流变分散应力，在张力或应力使基体变形前，银铝电极已经释放了这些应力。这使银铝合金晶振片具有更长时间，更稳定的振动。有实验表明镀Si02用银铝合金晶振片比镀金寿命长400%。 镀膜科技日新月异，对于镀膜工程师来说，如何根据不同的镀膜工艺选择最佳的晶振片确实不易。下面建议供大家参考： 1）镀低应力膜料时，选择镀金晶振片 最常见的镀膜是镀Al、Au、Ag、Cu，这些膜层几乎没有应力，在室温下镀膜即可。膜层较软，易划伤，但不会裂开或对基底产生负作用。建议使用镀金晶振片用于上述镀膜，经验证明，可以在镀金晶振片镀60000埃金和50000埃银的厚度。 2）使用镀银或银铝合金镀高应力膜