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更多>>晶振片的原理及厚度增重頻率變化
來(lái)源：http://www.fengxong.cn 作者：康比電子 2018年02月24
石英晶振俗稱水晶,成份是SiO2,它不但是較好的光學(xué)材料,而且是重要的壓電材料。在常壓下不同溫度時(shí),石英晶體的結(jié)構(gòu)是不同的。溫度低于573℃時(shí),是a石英晶體;溫度在573℃~870℃時(shí),是B石英晶體;溫度在870℃~1470℃時(shí),是磷石英,溫度達(dá)1470℃時(shí),就轉(zhuǎn)變成方石英,它的熔點(diǎn)是1750℃。用于制造壓電晶體元件的為a石英晶體
晶振片的原理
石英晶體是離子型的晶體,由于結(jié)晶點(diǎn)陣的有規(guī)則分布,當(dāng)發(fā)生機(jī)械變形時(shí),例如拉伸或壓縮時(shí)能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,稱為壓電現(xiàn)象。例石英晶體在9.8×104Pa的壓強(qiáng)下承受壓力的兩個(gè)表面上出現(xiàn)正負(fù)電荷約0.5V的電位差。壓電現(xiàn)象有逆現(xiàn)象,即石英晶體在電場(chǎng)中晶體的大小會(huì)發(fā)生變化,伸長(zhǎng)或縮短,這種現(xiàn)象稱為電致伸縮。
石英晶體壓電效應(yīng)的固有頻率不僅取決于其幾何尺寸,切割類型而且還取決于芯片的厚度。當(dāng)芯片上鍍了某種膜層,使芯片的厚度增大,則芯片的固有頻率會(huì)相應(yīng)的衰減。石英晶體的這個(gè)效應(yīng)是質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過(guò)測(cè)量頻率或與頻率有關(guān)的參量的變化而監(jiān)控淀積薄膜的厚度。
石英晶體法監(jiān)控膜厚,主要是利用了石英晶體的壓電效應(yīng)和質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。
石英晶體的固有頻率f不僅取決于幾何尺寸和切割類型,而且還取決于厚度d,即f=N/d,N是取決與石英晶體的幾何尺寸和切割類型的頻率常數(shù)對(duì)于AT切割的石英晶體,N=f·d=1670Kcmm。
物理意義是:若厚度為d的石英晶體厚度改變△d,則晶振頻率變化△f, 式中的負(fù)號(hào)表示貼片晶振的頻率隨著膜增加而降低然而在實(shí)際鍍膜時(shí)，沉積的是各種膜料,而不都是石英晶體材料,所以需要把石英晶體厚度增量△d通過(guò)質(zhì)量變換轉(zhuǎn)換成膜層厚度增量△dM,即
A是受鍍面積,pM為膜層密度,p。為石英密度等于265g/cm3。于是△d=(pM/pa)"△dM,所以
式中S稱為變換靈敏度。
對(duì)于一種確定的鍍膜材料,為常數(shù),在膜層很薄即沉積的膜層質(zhì)量遠(yuǎn)小于石英芯片質(zhì)量時(shí),固有頻率變化不會(huì)很大這樣我們可以近似的把S看成常數(shù),于是上式表達(dá)的石英晶體頻率的變化人行與沉積薄膜厚度△dM有個(gè)線性關(guān)系因此我們可以借助檢測(cè)石英晶體諧振器固有頻率的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)膜厚的監(jiān)控。
顯然這里有一個(gè)明顯的好處,隨著鍍膜時(shí)膜層厚度的增加,頻率單調(diào)地線性下降,不會(huì)出現(xiàn)光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)中控制信號(hào)的起伏,并且很容易進(jìn)行微分得到沉積速率的信號(hào)。因此,在光學(xué)監(jiān)控膜厚時(shí),還得用石英晶體法來(lái)監(jiān)控沉積速率,我們知道沉積速率穩(wěn)定隊(duì)膜材折射率的穩(wěn)定性、產(chǎn)的均勻性重復(fù)性等是很有好處和有力的保證。
石英晶體膜厚控制儀有非常高的靈敏度,可以做到埃數(shù)量級(jí), 顯然晶體的基頻越高,控制的靈敏度也越高,但基頻過(guò)高時(shí)晶體片會(huì)做得太薄,太薄的芯片易碎。
所以一般選用的晶體片的頻率范圍為5~10MHz。在淀積過(guò)程中,基頻最大下降允許2~3%,大約幾百千赫?；l下降太多振蕩器不能穩(wěn)定工作,產(chǎn)生跳頻現(xiàn)象。如果此時(shí)繼續(xù)淀積膜層,就會(huì)出現(xiàn)停振。為了保證振蕩穩(wěn)定和有高的靈敏度體上膜層鍍到一定厚度后,就應(yīng)該更換新的晶振片。
此圖為膜系鍍制過(guò)程中部分頻率與厚度關(guān)系圖。
晶振片的原理
石英晶體是離子型的晶體,由于結(jié)晶點(diǎn)陣的有規(guī)則分布,當(dāng)發(fā)生機(jī)械變形時(shí),例如拉伸或壓縮時(shí)能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,稱為壓電現(xiàn)象。例石英晶體在9.8×104Pa的壓強(qiáng)下承受壓力的兩個(gè)表面上出現(xiàn)正負(fù)電荷約0.5V的電位差。壓電現(xiàn)象有逆現(xiàn)象,即石英晶體在電場(chǎng)中晶體的大小會(huì)發(fā)生變化,伸長(zhǎng)或縮短,這種現(xiàn)象稱為電致伸縮。
石英晶體壓電效應(yīng)的固有頻率不僅取決于其幾何尺寸,切割類型而且還取決于芯片的厚度。當(dāng)芯片上鍍了某種膜層,使芯片的厚度增大,則芯片的固有頻率會(huì)相應(yīng)的衰減。石英晶體的這個(gè)效應(yīng)是質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過(guò)測(cè)量頻率或與頻率有關(guān)的參量的變化而監(jiān)控淀積薄膜的厚度。
石英晶體法監(jiān)控膜厚,主要是利用了石英晶體的壓電效應(yīng)和質(zhì)量負(fù)荷效應(yīng)。
石英晶體的固有頻率f不僅取決于幾何尺寸和切割類型,而且還取決于厚度d,即f=N/d,N是取決與石英晶體的幾何尺寸和切割類型的頻率常數(shù)對(duì)于AT切割的石英晶體,N=f·d=1670Kcmm。
物理意義是:若厚度為d的石英晶體厚度改變△d,則晶振頻率變化△f, 式中的負(fù)號(hào)表示貼片晶振的頻率隨著膜增加而降低然而在實(shí)際鍍膜時(shí)，沉積的是各種膜料,而不都是石英晶體材料,所以需要把石英晶體厚度增量△d通過(guò)質(zhì)量變換轉(zhuǎn)換成膜層厚度增量△dM,即
A是受鍍面積,pM為膜層密度,p。為石英密度等于265g/cm3。于是△d=(pM/pa)"△dM,所以
式中S稱為變換靈敏度。對(duì)于一種確定的鍍膜材料,為常數(shù),在膜層很薄即沉積的膜層質(zhì)量遠(yuǎn)小于石英芯片質(zhì)量時(shí),固有頻率變化不會(huì)很大這樣我們可以近似的把S看成常數(shù),于是上式表達(dá)的石英晶體頻率的變化人行與沉積薄膜厚度△dM有個(gè)線性關(guān)系因此我們可以借助檢測(cè)石英晶體諧振器固有頻率的變化,實(shí)現(xiàn)對(duì)膜厚的監(jiān)控。
顯然這里有一個(gè)明顯的好處,隨著鍍膜時(shí)膜層厚度的增加,頻率單調(diào)地線性下降,不會(huì)出現(xiàn)光學(xué)監(jiān)控系統(tǒng)中控制信號(hào)的起伏,并且很容易進(jìn)行微分得到沉積速率的信號(hào)。因此,在光學(xué)監(jiān)控膜厚時(shí),還得用石英晶體法來(lái)監(jiān)控沉積速率,我們知道沉積速率穩(wěn)定隊(duì)膜材折射率的穩(wěn)定性、產(chǎn)的均勻性重復(fù)性等是很有好處和有力的保證。
石英晶體膜厚控制儀有非常高的靈敏度,可以做到埃數(shù)量級(jí), 顯然晶體的基頻越高,控制的靈敏度也越高,但基頻過(guò)高時(shí)晶體片會(huì)做得太薄,太薄的芯片易碎。
所以一般選用的晶體片的頻率范圍為5~10MHz。在淀積過(guò)程中,基頻最大下降允許2~3%,大約幾百千赫?；l下降太多振蕩器不能穩(wěn)定工作,產(chǎn)生跳頻現(xiàn)象。如果此時(shí)繼續(xù)淀積膜層,就會(huì)出現(xiàn)停振。為了保證振蕩穩(wěn)定和有高的靈敏度體上膜層鍍到一定厚度后,就應(yīng)該更換新的晶振片。
此圖為膜系鍍制過(guò)程中部分頻率與厚度關(guān)系圖。
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