基于晶体力-频传感特性的高性能温度补偿泛音晶体振荡器的基础研究

According to the limit of traditional TCXOs compensated by circuit, through the research on the stress-frequency characteristic, the temperature-frequency characteristic and their relationship, the project proposes the TCXO based on force-frequency characteristic, combining the influence on the stress-frequency of the cut angle, the thickness and the stress direction and optimizing the dynamics model and the stress-frequency model. The research on the film’s stress and the double-films’ features will contribute to the stability of the new type oscillators, adopting the dynamical film technology to solve the remains and release of the dynamic stress and the static stress. The achievement of the project will be the TCXOs with overtone crystals. Its stability can reach the order of 10^(-7) in a wide temperature range from -50℃ to +85℃. Tts aging rate can be reduced to1*10^(-9)/day and the phase noise will be below -145dBc at 1kHz.

本项目针对传统的线路补偿类型的温度补偿晶体振荡器指标受限的问题，研究晶体的应力-频率特性和温度-频率特性之间的关系，结合泛音晶体切角、厚度、加力方向等对力频特性的影响，优化泛音晶体的力学模型和力频特性模型，开发基于应力稳频的温度补偿泛音晶体振荡器。然后研究晶片的薄膜应力和双层薄膜应力特性，采用动态镀膜技术解决动态应力和静态应力的残留与释放效应，提高新型晶体振荡器的稳定性。本项目技术成果将实现基于泛音晶体的TCXO，其频率温度稳定度在-50℃至+85℃宽温度范围内达到10^(-7)量级，日老化率达到1*10^(-9)/日，相位噪声低于-145dBc/1kHz。

近代我国在TCXO技术发展上有显著进展，已经占据了国际市场上的一席之地。从技术创新的角度来看，却依旧是踩着发达国家技术的脚印前行。当前国际TCXO技术朝着不断小型化、更稳定与低相噪的方向持续发展。但不管何种温补方式都会限制体积的减小及其他指标的优化。. 本项目立足于研究晶体的应力-频率特性和温度-频率特性之间的关系，结合泛音晶体切角、厚度、加力方向等对力频特性的影响，优化泛音晶体的力学模型和力频特性模型，研究晶片的薄膜应力和双层薄膜应力特性，实现基于泛音晶体的应力温补TCXO。. 本项目首次通过ANSYS软件仿真镀膜后晶体谐振器的应力特性。在仿真结果的指导下，与晶振厂家协作，设计了条形镀膜和环形镀膜两个组别实验，分别从位置和厚度两个方面设计了加工实验方案并予以实施。实验结果表明，条形膜镀膜角度与晶体片x轴夹角为0°时，频率拉动最大，补偿效果最好：镀膜厚度为1倍电极厚度时，可将频率稳定度在25℃-55℃的中低温段调高2~3ppm，在55℃-85℃的高温段时调高1~2ppm。环形膜镀膜厚度为0.5倍电极厚度时，可将频率稳定度在25℃-55℃的中低温段提高1.5~2ppm，在55℃-85℃的高温段时调高0.5~1ppm。. 近几年这个课题的进展备受企业厂家的关注，也普遍反映这将是一项具有变革性的技术，能够最大限度突破晶体谐振器减小体积与提高性能这一瓶颈问题。在多年研究积累的基础上，该项目成果将进一步应用于研究如何提高新型基于应力温补晶体振荡器的稳定性，以满足当前市场民用、军事、国防、通信等多领域对TCXO的大量需求，全面提高TCXO的性能，开发更高指标、更低成本、更小体积的TCXO。