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 在前面的文章中我们有提到关于石英晶振磁控溅射技术原理磁控溅射是在真空条件下导入一定压力的惰性气体(Ar),阴阳极间形成一定强度的电场,并引入强磁场施加影响,使被阳离子轰击而溅射出的靶材金属粒子加速射向欲镀覆基片表面。那么接下来CEOB2B晶振平台将要说的是石英晶振磁控溅射频率微调技术应用及优缺点分析。

在真空等离子体气氛中,氩离子轰击银靶,溅射出高能银粒子射向晶振晶片表面,从而增加表面银电极的厚度,进而改变石英晶体谐振器的谐振频率。其装置示意图如图1.3所示。与蒸发频率微调法类似,磁控溅射频率微调在对石英晶体谐振器进行频率微调时,也分为粗调和细调两步进行。

石英晶振磁控溅射频率微调的优、缺点

优点:

(1)与蒸发频率微调法相比,溅射离子比蒸发原子或分子的平均能量大数十倍,提高了表面原子迁移率及体扩散,使膜层性能及附着力增强。

缺点:

(1)晶振磁控溅射镀覆设备价格昂贵,设备操作、维护复杂。

(2)对于靶材——银的利用率低,最高只能达到50%。

(3)与石英贴片晶振蒸发频率微调法类似,粗调后的膜面已暴露过大气,易被氧化,并且使得表面落上灰尘、杂质颗粒,而细调新镀膜层又较薄,导致膜层结合力差, 易产生脱焊、固熔断线问题。这同样也是磁控溅射频率微调技术的致命缺点。

(4)由于离子对阴极靶材的轰击,使靶材表面溅射出二次电子,这些电子经等离子体后,易堆积在阳极表面,使表面形成电荷积累,无法再继续沉积。

可见,以上两种方法都无法满足大规模工业生产和激烈的市场竞争的需要更能适应生产需求的新型工艺呼之欲出。

在前面的文章中我们知道激光具有高亮度、高单色性、高相干性、高方向性等四大优点,尤其是它具有极高的功率密度,可达1010-12w/CM2,因而是一种性能优异的加工光源。因此我们通过将激光微加工工艺应用于石英晶振频率微调,并通过理论与实验证明。

激光微加工”和其它微加工方法相比具有明显的优越性,表现为以下几方面:

(1)加工制作条件较易得到满足:

尽管“电子束”、“X射线”、“离子束”具有更短的波长,在提高分辨率方面有更多的好处,但它们在“曝光源”、“掩膜”、“抗蚀剂”、“成像光学系统”等方面都存在极大的困难,与此相比,激光有着明显的经济性和现实性。随着新型激光器的发展,它可将加工波长扩展至DUV和VUV,分辨率达到亚微米。

(2)功率密度高:

激光加工的功率密度可达108~109W/cm2,大大缩短了晶振产品加工时间。

(3)加工对象广泛

“激光微加工”可用于多种材料的精密加工,如金属、有机物、无机物、陶瓷等,在加工的过程中可控制激光的切削尝试,这使得利用激光进行高精密切削成为可能。

目前,“激光微加工”的应用领域比较广泛,主要包括以下几方面:

(1)精密打孔:

激光精密打孔可对各种材料进行打微孔的加工。目前,激光打孔已广泛应用于金刚石模具、钟表石英，贴片晶振，轴承小孔的加工,它也可用于对陶瓷、橡胶、塑料等非金属材料的精密打孔。

(2)精密切割:

激光精密切割的切缝窄,切缝边缘质量高,切割速度快,几乎没有残渣。在切割金属时可采用吹氧工艺使金属表面氧化而增强对激光的吸收能力;在切割非金属时采用吹惰性气体的方法排除熔融物。

(3)电阻电容的微调:

激光微调就是用激光束按一定的轨迹在膜片上照射,使膜层达到气化温度而迅速蒸发,减少了电阻膜的导电面积从而达到改变膜片电阻值的目的。电阻微调分薄膜电阻微调和厚膜电阻微调两种。薄膜电阻膜厚为几百埃至几微米,常用镍铬等合金材料,厚膜电阻膜厚为几微米至几十微米。它还可以用于电子线路或石英晶振等电子器件的功能微调,如有源滤波器的中心频率、带宽和增益的微调,运算放大器失调电压的微调等。电阻电容的微调一般采用YAG固体激光器。

(4)精密焊接

精密焊接加热速度快、焊点小、焊缝窄、热影响区小,因而焊接变形小、精度高且无需真空设备。它能对绝缘体直接焊接、能焊接有色金属及异种金属,它还可进行薄片间的焊接、丝与丝间的对焊及缝焊。激光精密焊接特別适用于微型、精密、排列紧密和热敏焊件。广泛应用于微电子元件如集成电路内外引线的焊接、电子器件管壳封焊、热电偶的焊接、仪表微丝焊接等领域.

如果将石英晶体置于交变电场中,则在电场的作用下,晶体的体积会发生周期性的压缩或拉伸的变化,这样就形成了晶体的机械振动,晶体的振动频率应等于交变电场的频率,在电路中也就是驱动电源的频率。当石英晶振晶体振动时,在它的两表面产生交变电荷,结果在电路中出现了交变电流,这样压电效应使得晶体具有了导电性,可以视之为一个电路元件。

石英晶体本身还具有固有振动频率,此振动频率决定于石英晶振晶体的几何尺寸、密度、弹性和泛音次数,当晶体的固有振动频率和加于其上的交变电场的频率相同时,晶体就会发生谐振,此时振动的幅值最大,同时压电效应在石英晶体表面产生的电荷数量和压电电导性也达最大,这样晶体的机械振动与外面的电场形成电压谐振,这就是石英晶体作为振荡器的理论基础。

石英晶振晶体的电气特性可用图中所示的等效电路图来表示,由等效电阻R1、等效电感L1和等效电容C1组成的串联谐振回路和静态电容Co并联组成,静态电容C0主要由贴片晶振,石英晶体的尺寸与电极确定,再加上支架电容组成。等效电感L1和等效电容C1由切型、石英晶体片和电极的尺寸形状来确定。等效电阻R1是决定石英晶振Q的主要因素,是直接影响石英谐振器工作效果的一个重要参数。R1不仅由切型、石英晶体片形状、尺寸、电极决定,而且加工条件、装架方法等对其影响也很大。因此,同一型号,同一频率的若干产品其Q值也相差很大。

在等效电路中,L1和C1组成串联谐振电路,谐振频率为:

通常石英晶体谐振器的阻抗频率特性可用图2.3表示。此处忽略了等效电阻R1的影响,由图可见,当工作频率f时,晶体呈容性;当工作频率在f0与f之间时,晶体呈感性;当工作频率f>f时,晶体又呈容性。石英晶体在晶体振荡器主振荡级的振荡电路呈现感性,即工作频率在f于f之间。

晶振我们常说的一个名词，但它的解释预定义却各不相同，一些人将晶振定义为石英晶振，一些人将其定义为频率元器件，那到底那种是对的呢？其实这些定义只是相对而言，广义上来说晶振指的就是一些频率元器件的总称，例如SAW声表面波器件，石英晶振，陶瓷晶振，狭义定义而言晶振就是一类利用晶体片压电效应制成的电子元器件，通常叫做石英晶振简称晶振。

接着前面的文章我们继续分析基于晶振的微力传感器的发展.有不懂的问题可以到CEOB2B晶振平台晶振技术资料中查看,有关石英晶振的各种型号,参数信息均可查到.

非接触模式是控制探针在样品表面上方扫描,始终不与晶振样品表面接触因而针尖不会对样品造成污染或产生破坏,避免了接触模式中遇到的一些问题。针尖和样品之间的作用力是很弱的长程作用力一范德华吸引力。非接触模式是测量长程力所采用的方法，其分辨率比接触模式的分辨率要低,由于针尖很容易被表面吸附气体的表面压吸附到样品表面,造成图像数据不稳定和对样品的破坏。因此非接触模式操作实际上较为困难,并且通常不适合在液体中成像。

轻敲模式介于接触模式和非接触模式之间(13l。其特点是扫描过程中微悬臂也是振荡的并具有比非接触更大的振幅(大于20nm),针尖在振荡时间断地与样品接触。由于针尖与晶振等样品接触,分辨率几乎和接触式扫描一样的好,但由于接触是短暂的,因此对样品的破坏几乎完全消失,克服了常规扫描模式的局限性。轻敲模式还具有大而且线性的操作范围,使得垂直反馈系统具有高度稳定性,可重复进行样品测量。对于软、粘和脆性样品的研究具有独到的优势但轻敲模式同样也增加了操作和设备的复杂性,在实际运用中存在着不易控制的缺点。

SFM技术的发展强烈依赖于带有特殊针尖的微悬臂制备技术的发展13-15。这种微悬臂和针尖必须是能够简便而快速制备的。在原子力显微镜发展之初,悬臂几何形状一般为L形。其主要是通过将一个很细的金属丝或线圈弯曲90°后,顶端经电化学腐蚀成一个针尖而制备得到的。这种制备方法完全依赖于实验技师的手工技能。第二种悬臂制备方法是微刻技术。第一代是简单的SiO2悬臂,形状为直角和三角,是从氧化硅片上刻蚀得到的。其同腐蚀金属针尖相比,不能很好的控制其尖锐程度。后来改用SiN4代替SiO2作为悬臂材料。Si3N4脆性较低,而且厚度可以从1.5降到0.3um。这一代悬臂具有完整针尖,而且曲率半径非常低。

美国斯坦福大学是在硅片上刻蚀出金字塔形的小片,可以得到曲率半径小于30nm的针尖。IBM公司则采用硅片(100)来制备具有完整针尖的硅悬臂,曲率半径低于100nm。这些通过微电子加工将针尖集成于一体的微悬臂方法有很好的可重复性,不需粘另外的针尖,便于大批量生产。所以一般商用的AFM都采用这种力传感器。但对于静电力显微镜和磁力显微镜来说,由于针尖材料具有特殊的要求,还是要采用在微悬臂上粘针尖的方法。

从以上可以看出,这些基于微悬臂的SFM它们都有一个共同的缺点；它们不仅需要一个结构复杂的微小悬臂作为力的传感器,而且还要一个激光干涉仪用于检测微悬臂的微小位移来获得表面变化信息。因而结构较为复杂,成本也很高,操作难度增大,也就造成其在应用中的局限性。所以必须采用其他的传感器和非光学的检测方法。

我们接着前面介绍到的石英晶振片的由来以及工作原理,我们接着说石英晶振晶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IMHz,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,经常会使贴片晶振,石英晶振片有不稳定,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A、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层

NiCr、Mo、Zr、Ni-Cr、Ti、不锈钢这些材料容易产生高应力,膜层容易从晶体基片上剥落或裂开,以致出现速率的突然跳跃或一系列速率的突然不规则正负变动。有时,这些情况可以容忍,但在一些情况下,会对蒸发源的功率控制有不良作用。

（3)使用银铝合金晶振片镀介质光学膜

MgF2、SiO2、A2O3、TiO2膜料由于良好的光学透明区域或折射率特性,被广泛用于光学镀膜,但这些膜料也是最难监控的,只有基底温度大于200度时,这些膜层才会与基底有非常良好的结合力,所以当这些膜料镀在水冷的基底晶振片上,在膜层凝结过程会产生巨大的应力,容易使晶振片在1000埃以内就回失效。

石英晶振在如今产品中的应用变得尤为重要,为了更好的使用晶振,我们除了要知道晶振的生产材料,晶振使用型号参数等一些条件之外,关于晶振的使用注意事项,以及石英晶振,贴片晶振晶片的一些关注点也应该知道.在前面的文章中CEOB2B晶振平台介绍了晶振晶片的由来以及其工作原理,下面我们要介绍的是膜厚控制仪用电子组件引起晶振片的高速振动和晶振监控的优缺点.

膜厚控制仪用电子组件引起晶振片的高速振动,约每秒6百万次(6MHz),镀膜时,测试每秒钟振动次数的改变,从所接受的数据中计算膜层的厚度。为了确保晶振片以6MHz的速度振动,在真空室外装有“振荡器”,与晶控仪和探头接口连接,振荡器通过迅速改变给晶振片的电流使晶振片高速振动。一个电子信号被送回晶控仪。晶控仪中的电路收到电子信号后,计算晶振片的每秒振速。这个信息接着传送到个微处理器,计算信息并将结果显示在晶控仪上：

（1)沉积速率(Rate)  (埃/秒)

（2)已沉积的膜厚( Thickness)  (埃)

（3)晶振片的寿命(Lie)   (%)

（4)总的镀膜时间(Time)    (秒)

更加精密的设备可显示沉积速率与时间的曲线和薄膜类型。

石英晶振监控的优缺点

◆优点:

1.晶振法是目前唯一可以同时控制膜层厚度和成膜速率的方法。

2.输出为电讯号,很容易用来做制程的自动控制。

3.对于厚度要求不严格的滤光片可以利用作为自动制程镀膜机。

4.镀金属时,石英监控较光学监控来的方便精确。

◆缺点

1.厚度显示不稳定。

2.只能显示几何厚度,不能显示折射率。

3.一般精密光学镀膜厚度只用做参考,一般用作镀膜速率的控制。

◆所以一台镀膜设备往往同时配有石英晶体振荡器监控法和光学膜厚监控法两套监控系统,两者相互补充以实现薄膜生产过程中工艺参数的准确性和重复性,提高产品的合格率。

正是这样丰富的32.768K晶振才给我们很多电子产品出现创造条件，但是当我们还沉浸在稀里糊涂的32.768K石英晶体谐振器中时，32.768K石英晶体振荡器又出现在我们眼中，瞬间只能觉得自己整个人不好，快被32.768K晶振弄晕乎了。32.768K有源晶振我们暂且不说，但32.768K无源晶体相信每位接触晶振的朋友都知道它，并且32.768K无源晶振出现的时间是石英晶振中最早最久的，但并不是说我们每个人都已经透彻的了解它了。不相信，那就来看看下面这些小知识你是否都知道呢？

在进行系统测试时,被锁晶振采用高稳定度恒温晶体振荡器(10MHz±3Hz),GPS接收机选用LASSEN IQ型,采用5585B-PRS型铯原子频标作为频率参考,该铯原子频标可输出10MHz信号,具有较好的频率准确度及稳定度,其频率准确度优于5×10-12,秒级频率稳定度优于1×10-11/s。

采用相位比对的方法来测试被锁石英晶振的相对频率准确度,测试连接图如图5.1所示。将被锁定的晶体振荡器的10MHz频率信号和铯原子频标产生的10MHz频率信号分别作为开关门信号输入到精密时间间隔测试仪HP5370B(分辨率为20ps) 进行比对测试,HP5370B输出的时间间隔值与两个比对信号的相位差成正比。该时间间隔值的变化反映了两个信号的相位差的变化。计算相对频差的公式为:

其中,τ为取样周期;△T为在取样周期τ内两信号累积的相位差变化。由此式可以看出,△T的测量误差取决于HP5370B的时间间隔测量分辨率,最小为±20ps,也就是在ls闸门时间内相对晶振频率准确度为±2×10-11,但是随着采样时间r的增大,测量误差可以大大的减小,精度也不断提高。

由于天气等原因,对接收机工作有影响,所以做实验时适当选择比较好的天气。取样时间设定为40s,OCX0石英晶体振荡器在系统运行3小时后即进入锁定状态,开始对晶体振荡器锁定状态下与铯原子频标进行相位比对测试,记录系统连续工作10小时的数据,图5.2为OCXO晶振的频率准确度随时间的变化曲线。

从图5.2中可以看出,锁定后OCXO晶振的频率值在标称频率上下起伏,最大起伏约为9.0×10-11。通过计算,图5.2中所显示的频率平均准确度达到73×10-12,相对于所采用晶体振荡器的约5×10-10/d的老化率有明显改进,同时也说明晶振频率的漂移得到了一定程度的修正。

在进行石英贴片晶振频率稳定度测试时,由于实验室测频仪器测量的分辨率的有限,ls和10s的稳定度由直接测频法计算得到,而100s、1000s、5000s和10000S由比相间接测频法计算得到,相位比对数据采用上面图5.2中所采集的数据。锁定后, OCXO的频率稳定度测试结果如表5.1所示:

从表51中可以看出,锁定后的OCXO恒温晶体振荡器的短期稳定度基本保持了其本身的指标,而其中长期稳定度不是非常理想,这是由lPPS中存在的中长期相位漂移以及Kalman滤波和PID控制参数还不是很合理造成的,但总体较其本身指标,有一定程度的提高。因此,后续工作需要增大滤波时间常数,进一步继续优化 Kalman滤波和PID控制模型的参数,使得 Kalman滤波的收敛值更小,对OCXO晶振频率的调整幅度和频度更低。

晶振是种控制频率元件，在电路模块中提供频率脉冲信号源，在信号源传输的过程中晶振在电路配合下发出指令，通过与其他元件配合使用。

单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。通常一个系统共用一个晶振，便于各部分保持同步。有些通讯系统的基频和射频使用不同的石英晶振，而通过电子调整频率的方法保持同步。晶振通常与锁相环电路配合使用，以提供系统所需的时钟频率。如果不同子系统需要不同频率的时钟信号，可以用与同一个晶振相连的不同锁相环来提供。

单片机工作时，是一条一条地从RoM中取指令，然后一步一步地执行。单片机访问一次存储器的时间，称之为一个机器周期，这是一个时间基准。—个机器周期包括12个时钟周期。如果一个单片机选择了12MHz石英晶振，它的时钟周期是1／12us，它的一个机器周期是12×(1／12)us，也就是1us。单片机中少不了石英贴片晶振的使用，那么关于单片机选择又有哪些窍门呢？

随着计算机和微电子技术的迅猛发展,单片机技术在各个行业得到了广泛的应用。由于单片机集成度高、体积小、功能强、功耗低、使用方便、价格低廉等一系列优点,被广泛的应用在各种智能仪表、工业控制及家电控制领域。根据系统设计的要求,单片机是整个系统的控制和数据处理中心,需要丰富的lO资源实。

现点阵液晶显示并与FPGA等芯片进行数据传输;需要串口完成与PC机通信的功能;需要该单片机具有片上A/D(模数)转换功能配合FPGA芯片,石英贴片晶振完成时间间隔测量,还需要L/O口中断、串口中断和A/D转换完成中断等中断资源满足设计中的各种中断处理,而且系统还需要在单片机上实现 Kalman滤波等算法,需要芯片具有硬件乘法器,具有一定的数据处理能力综合以上要求选择TI公司的MSP430系列中的MSP430F247型单片机作为整个系统的控制部分。

MSP430系列中的MSP430F247型单片机采用的是“冯-诺依曼”结构,具有16位结构的CPU,采用RSC指令集,最高工作频率8M,片上集成了64K的 FLASH ROM和1K的RAM,通过JAG接口,可以方便的实现在线编程和调试,非常利于软件程序的调试。

这款单片机的特点有:

(1)具有丰富的I/O资源,六个8位的I/O端口,所有的o位都可以独立程,任何输入输出和中断条件的组合都是可以的,其中PI和P2口的8位都具中断能力,如串口接收、发送中断和A/D转换完成中断等,所以此款单片机的中断能力得到大大提高,符合此系统设计需要用到中断处理的要求;

(2)具有丰富的外围模块:8路12位的A/D输入可实现A/D转换的功个 USART串行接口可实现与PC机通信的功能.

(3)具有硬件乘法器,可以大大的提高对数据的处理能力,例如实现 Kalman滤波等算法。该的单片机功能齐全,完全可以满足系统设计的需求,而且还有利于系统进一步的扩展升级。