小型BVA石英谐振器的研制

崔 巍 王作羽 睢建平 刘小光 王 莉 张 磊 哈斯图亚 李国强

（北京无线电计量测试研究所，北京 100039）

1 引 言

BVA（Besson Vieillissement Amelioré）石英谐振器由于其无接触电极和低应力安装结构，具有良好的Q值和老化特性［1-3］，我们所在2010年研制出采用三次泛音SC切晶片的5MHz BVA石英谐振器，基于该谐振器制作的振荡器在短期频率稳定度、长期频率老化和频率-温度稳定性方面的性能均达到较高水平，日漂移指标达到2×10-12，短期频率稳定性指标达到1×10-13/s，相位噪声达到-120dBc@1Hz，可用于低老化、长寿命频率源。但当时研制的BVA石英谐振器尺寸较大，达到Φ36mm×16mm，重量较大，而且结构过于复杂，工艺难度大，抗振可靠性不高，只能承受5grms的随机振动，限制了其推广和应用。为拓宽BVA石英谐振器的应用领域，开展了小型化、高可靠BVA石英谐振器的研制。

2 整体方案

针对上一代BVA石英谐振器存在的问题，研制新型BVA石英谐振器，减小外形尺寸、提高性能，满足超稳晶振在相噪、短稳、老化和抗振性方面的需求。整体研制方案为：以SC切厚度剪切振动模式为基础，重新设计非接触电极、振子安装结构，并全面提升可靠性，同时优化BVA石英谐振器制作方法，最终实现减小BVA石英谐振器的尺寸和重量，降低工艺加工难度，提高稳定性和一致性。研制的小型BVA石英谐振器通过测试和典型环境试验验证，进行性能和可靠性检测，同时，基于小型BVA石英谐振器制作晶体振荡器进行性能测试，验证小型BVA石英谐振器的各项性能指标［4］。

3 产品设计

3.1 整体设计

为了保持优越的性能，采用SC切厚度剪切振动模式的晶片，SC切型晶片具有应力补偿和热瞬变补偿特性，应力效应引起的应变弛豫老化小，老化特性好，窄温度频率温度特性好，Q值高，内部损耗小，幅频效应小［5］。综合考虑性能和可靠性，采用三次泛音设计，针对晶振工作温度，设计拐点温度85℃±2℃，参考传统高精密晶体并结合试验设计合适的切角［6］。

为了保证抗振可靠性，采用卧式安装结构［7］，为了保持优良的真空谐振环境，降低电阻，提高Q值，采用冷压焊真空封装，考虑到封装尺寸的通用性，采用HC-40/U壳座。

3.2 非接触电极设计

BVA石英谐振器的核心是非接触电极的设计，即电极并不镀在石英晶片上，而是镀在上下电容片上，上下电容片采用异型结构，中心电极区相对支撑区凹陷（10～20）μm，晶片装配在电容片中间，电极与石英晶片之间有微小的空隙，形成电极悬离结构，既能起到施加电场的作用，同时避免了电极应力和吸附效应带来的频率老化［8］。

BVA石英谐振器的上下电容片如图1所示，在新的电容片设计中，为了减小尺寸，将支撑环去除，直接在电容片上加工出定位槽，将石英晶片的支撑点直接安装在电容片的定位槽中，通过定位槽将石英晶片精确固定在电容片中间，形成电极悬离结构。

图1 非接触电极示意图Fig.1 Schematic diagram of electrodeless structure

3.3 振子安装结构设计

传统BVA石英谐振器安装结构如图2（a）所示，采用夹子将上下电容片和晶片固定在一起，并用弹簧片支撑固定在底座上。在电容器上加工过孔，通过金属丝将电极连接到基座的引脚上，这种安装结构复杂，装配难度大，装配一致性差，抗振可靠性不高。为了将安装结构小型化，并提高抗振可靠性，新的BVA石英谐振器不采用额外的夹子固定，而是采用导电胶对上下电容片进行粘接，中间石英谐振片不直接接触导电胶，靠上下电容片固定中间的石英谐振片，并整体固定在基座上，同时导电胶可以将电极直接与基座引脚连接，不需要额外装配金属丝，简化了装配工艺，如图2（b）所示，进一步减小整个安装结构的尺寸，提高装配一致性，最终将BVA石英谐振器整体结构缩小至HC-40/U壳座中形成小型化的BVA石英谐振器。

3.4 可靠性设计

为了提高可靠性，将石英晶片和电容片直径减小，在保证抗振可靠性的同时将电容片厚度适当减薄，以减小整个谐振器的重量和体积。同时采用导电胶固定振子，导电胶的材料和涂敷工艺是影响可靠性的重要因素，材料方面选用高强度、低应力、低挥发的导电胶，涂敷工艺上，涂敷量和涂敷位置是要综合考虑的因素，在保证可靠性的同时，尽量少的涂敷导电胶，以减小导电胶挥发和应力释放带来的频率老化。

图2 BVA石英谐振器结构示意图Fig.2 Structure diagram of BVA quartz resonator

4 测试结果

研制出的小型化BVA石英谐振器如图3所示，外形尺寸为Φ21mm×12mm，相比上一代BVA石英谐振器Φ35mm×16mm的外形尺寸得到明显减小。

图3 小型BVA石英谐振器照片Fig.3 Photo of small BVA quartz resonator

4.1 BVA石英谐振器电性能测试

BVA石英谐振器测试结果见表1，其中各项参数均为拐点温度下测试结果，从测试结果来看，产品的电阻、Q值、拐点等性能较好。典型频温特性曲线如图4所示。

表1 BVA石英谐振器电性能测试结果Tab.1 Performance of small BVA quartz resonators

4.2 振动试验

图4 典型频温特性曲线Fig.4 Typical frequency-temperature characteristic curve

为了考核小型BVA石英谐振器的振动可靠性，进行了随机振动试验，振动试验条件如图5所示，振动量级为15grms，试验前后进行测试，产品各项性能指标稳定。

图5 振动试验条件Fig.5 Conditions of vibration test

4.3 BVA晶体振荡器性能测试

将BVA石英谐振器装配在恒温晶振中，组成BVA晶体振荡器，进行了相噪、老化、短稳等指标的测试。相噪测试结果如图6所示，指标达到-123dBc/Hz@1Hz。老化曲线如图7所示，日老化指标达到9×10-12。短稳测试结果如图8所示，秒稳指标达到3．3×10-13。

图6 相噪测试结果Fig.6 Phase noise test result

图7 老化测试数据Fig.7 Aging test data

图8 短稳测试结果Fig.8 Short-term stability test result

5 结束语

在传统BVA石英谐振器研制的基础上，通过优化非接触电极设计、振子安装结构，在小型化设计的同时提升可靠性设计，将小型BVA石英谐振器的尺寸由Φ36mm×16mm减小至Φ21mm×11mm，抗振性由原来的随机振动5grms提升到15grms。经过谐振器测试和振荡器测试，其主要性能指标与传统BVA石英谐振器相当，但由于体积减小，结构抗振性提高，具有较高的抗振可靠性，可以用于空间飞行器等恶劣环境中的整机中，提高整机的性能和可靠性。

［1］Jerry R Norton．BVA-Type Quartz Oscillator for Spacecraft．Proc．45th Annual Symp Freq Control［C］．1991：426-430．

［2］Jerry R Norton,Raymond J BESSON．Tractical BVA Quartz Resonator Performance．1993 IEEE International Frequency Control Symposium［C］．1993：609-613．

［3］Raymond J,BESSON,Jean-Jacques BOY and Marc M．Mourey．BVA resonators and oscillators：a review relation with space requirements and quartz material characterization．1995 IEEE International Frequency Control Symposium［C］．1995：590-599．

［4］赵声衡．石英晶体振荡器［M］．长沙：湖南大学出版社,1997．

［5］V．E．Bottom，潘景程．石英晶体元件设计导论［M］．宇航出版社，1987．

［6］秦自楷．压电石英晶体［M］．国防工业出版社,1980．

［7］Raymond L．Flller，John R．Vig，李自忠．四点安装的 SC切和AT切谐振器的加速度和加热特性［J］．宇航计测技术．1983，S1：57-62．

［8］徐瑞华．5MHz空气隙石英谐振器的研制［J］．宇航计测技术，1990,3：69-74．