GBT 22319.6-2023 石英晶體元件參數(shù)的測量 第6部分：激勵電平相關(guān)性(DLD)的測量（正式版）

石英晶體元件參數(shù)的測量第6部分：激勵電平相關(guān)性(DLD)的測量MeasurementofquartzcrystPart6:Measurementofdrivelev2023-09-07發(fā)布國家市場監(jiān)督管理總局國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會GB/T22319.6—2023/IEC Ⅲ 12規(guī)范性引用文件 13術(shù)語和定義 1 14.1頻率和電阻的可逆變化 14.2頻率和電阻的不可逆變化 14.3DLD效應(yīng)的原因 25DLD測量的激勵電平 26試驗方法 36.1方法A(快速標(biāo)準(zhǔn)測量方法) 36.2方法B(多電平基準(zhǔn)測量方法) 4附錄A(規(guī)范性)石英晶體元件的激勵電平和機械位移之間的關(guān)系 6附錄B(規(guī)范性)方法C:使用振蕩器法測量DLD 8參考文獻 圖1電阻R或R??隨激勵電平相關(guān)性變化的最大允許電阻比 3圖B.1振蕩器中的晶體元件的接人 8圖B.2晶體元件損耗電阻隨耗散功率的變化關(guān)系 8圖B.3石英晶體元件R,的特性 9圖B.4電路系統(tǒng)方框圖 圖B.5在掃描激勵電平范圍內(nèi)建立的一R 圖B.6在本附錄試驗中將一R。=70Ω作為試驗限值時石英晶體元件的激勵電平特性 圖B.7方法C測量電路原理圖 Ⅲ本文件是GB/T22319《石英晶體元件參數(shù)的測量》的第6部分。GB/T22319已發(fā)布了以下部分：——第11部分：采用自動網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)和誤差校正確定負(fù)載諧振頻率和有效負(fù)載電容的標(biāo)準(zhǔn)本文件等同采用IEC60444-6:2021《石英晶體元件參數(shù)的測量第6部分：激勵請注意本文件的某些內(nèi)容可能涉及專利。本文件的發(fā)布機構(gòu)不承擔(dān)識本文件由全國頻率控制和選擇用壓電器件標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(SAC/TC182)歸口。本文件起草單位：鄭州原創(chuàng)電子科技有限公司、北京晨晶電子有限公司高激勵電平(如AT切晶體在1mW或1mA以上)時，可以在所有晶體元件上觀察到這些變化。并且它們還會導(dǎo)致頻率和電阻的不可逆變化。激此外，規(guī)定的振動模式與其他模式(如諧振子本身、裝架和填充氣體)之間的耦合也與激勵電平——第1部分：用π型網(wǎng)絡(luò)零相位法測量石英晶體元件諧振頻率和諧振電阻的基本方法。目的在于規(guī)定測量石英晶體元件諧振頻率和諧振電阻的基本方法及適用 第4部分；頻率達30MHz石英晶體元件負(fù)載諧振頻率和負(fù)載諧振電阻R,的測量方法及其他導(dǎo)出參數(shù)的計算。目的在于規(guī)定用加載物理負(fù)載電容測量石英晶體元件負(fù)載諧振頻率等參 絡(luò)分析技術(shù)并用線性等效電路確定石英晶體元件參數(shù) 第6部分：激勵電平相關(guān)性(DLD)的測量。目的在于規(guī)定用π型網(wǎng)絡(luò)或振蕩器法測量石英晶 第7部分：石英晶體元件活性跳變的測量。目的在于規(guī)定在溫度范圍內(nèi)石英晶體元件活性跳 第9部分：石英晶體元件寄生諧振的測量。目的在于規(guī)定用自動網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)和用電阻法測 第11部分；采用自動網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)和誤差校正確定負(fù)載諧振頻率和有效負(fù)載電容的標(biāo)準(zhǔn)方法。目的在于規(guī)定不加載物理負(fù)載電容測量石英晶體元件負(fù)載諧振頻率及標(biāo)稱頻率時有效負(fù)1石英晶體元件參數(shù)的測量第6部分：激勵電平相關(guān)性(DLD)的測量本文件適用于石英晶體元件激勵電平相關(guān)性(DLD)的測量。本文件規(guī)定兩種試驗方法(A和C)和一種基準(zhǔn)測量方法(方法B)。方法A以IEC60444-5的π型網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)，適用于本文件所覆蓋的整個頻率范圍。基準(zhǔn)測量方法B依據(jù)IEC60444-5或IEC60444-8的π型網(wǎng)絡(luò)或反射法為基礎(chǔ)，適用于本文件所覆蓋的整個頻率范圍。方法C是振蕩器法，適用于固定條件下大批量基頻石英晶體元件的測量。2規(guī)范性引用文件下列文件中的內(nèi)容通過文中的規(guī)范性引用而構(gòu)成本文件必不可少的條款。其中，注日期的引用文件，僅該日期對應(yīng)的版本適用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本文件。IEC60444-5石英晶體元件參數(shù)的測量第5部分：采用自動網(wǎng)絡(luò)分析技術(shù)和誤差校正確定等效電參數(shù)的方法(Measurementofquartzcrystalunitparameters—Part5:MethodsforthedeterminationofequivalentelectricalparametersusingautomaticnetworkanalyzertechniquesanderrorcoIEC60444-8石英晶體元件參數(shù)的測量第8部分：表面貼裝石英晶體元件用測量夾具(Meas-urementofquartzcrystalunitparameters—Part8:Testfix3術(shù)語和定義本文件沒有需要界定的術(shù)語和定義。ISO和IEC維護的標(biāo)準(zhǔn)化工作使用的術(shù)語數(shù)據(jù)庫見下列網(wǎng)址：IEC;https://www.electrop4.1頻率和電阻的可逆變化可逆變化是分別在低電平和高電平下進行重復(fù)測量后，或從最低電平到最高電平及反向連續(xù)或準(zhǔn)連續(xù)測量后，在同一激勵電平下出現(xiàn)的頻率和電阻的變化，只要這些變化保持在測量準(zhǔn)確度的范圍內(nèi)。4.2頻率和電阻的不可逆變化不可逆變化是在高電平中間測量后，在低電平下會出現(xiàn)頻率和(或)電阻的顯著變化。例如，低電平2下先前的高電阻在重復(fù)測量時變成了低電阻。特別是晶體元件幾天不工作，當(dāng)其在低電平下再次工作 DLD測量要施加低激勵電平和高激勵電平(而且盡可能有更多的激勵電平)。高激勵電平是標(biāo)稱宜注意，建議這個電平低于附錄A中推導(dǎo)出的最大可用電平。件，應(yīng)采用晶體電流為1mA,相應(yīng)的速度v為0.2m/s方法通過按順序的三次測量，能夠快速挑選出激勵電平敏感的石英晶體元件。圖1中給出的諧振電阻允許變化是以不同的制造商對晶體元件長期考核為基礎(chǔ)并已被證明是反映晶體元件起振問題的可靠指在工業(yè)領(lǐng)域，有一些商業(yè)可用的晶體測試系統(tǒng)，它們的軟件提供了幾種DLD的不同測量及計算方法B適用于有嚴(yán)格起振要求和高可靠性的器件。附錄B中的方法C是振蕩器法。該方法是一種經(jīng)濟性方法，特別適用于固定測量條件(最大激勵在特殊情況，若推薦的測量技術(shù)不適用，用戶宜使用一個自制的低反饋振蕩器，或一個自制的濾 ——附錄B中方法C用于振蕩器晶體依據(jù)設(shè)定值進行合格判定的測量。3電阻比y電阻比y6試驗方法6.1方法A(快速標(biāo)準(zhǔn)測量方法)按第5章規(guī)定，根據(jù)IEC60444-5測量串聯(lián)諧振頻率和電阻，在低的和高的激勵電平下進行試驗。其電流電平的允許偏差為±10%,功率電平的允許偏差為±20%。a)在105℃至少存放24hb)在整個測量期間溫度應(yīng)保持恒定(依據(jù)IEC60444-5)。f)計算γu,γa=R?/R?。γi?應(yīng)小于圖1繪制線段上給出的最大γ值(橫坐標(biāo)=R)。g)允許的頻率變化|fa-f|應(yīng)為5×10-*×f,除非詳細(xì)規(guī)范另有規(guī)定。h)計算γμ,Yu=Ru/R?。γ應(yīng)小于(y+1)/2,γ值取圖1給出的值(橫坐標(biāo)=Ri?)。i)允許頻率變化|fa-f|應(yīng)為2.5×10-*×fa,除非詳細(xì)規(guī)范另有規(guī)定。j)在任何激勵電平下電阻值應(yīng)不超過詳細(xì)規(guī)范給定的最大值。注：圖1給出的γ曲線已被許多類型振蕩器用品體元件累積多年經(jīng)驗獲得的結(jié)果證實。大多數(shù)情況下都能起振，但在臨界振蕩器配置下可能出現(xiàn)一些問題。由于不可能制造出在任何激勵電平下諧振電阻均不變的晶體元件，推薦的γ曲線給出的是允許的關(guān)系曲線。激勵電平值的定義由使用詳細(xì)規(guī)范的標(biāo)稱激勵電平作為高激勵電平值。當(dāng)在很高激勵電平下測圖1電阻R?或R隨激勵電平相關(guān)性變化的最大允許電阻比4GB/T22319.6—2023/IEC60444建議選擇的最大激勵電平是當(dāng)該激勵電平繼續(xù)增大50%,此時電阻值可逆增大不超過10%或頻率 (1)按第5章規(guī)定，根據(jù)IEC60444-5測量串聯(lián)諧振頻率和電阻，在低的和高的激勵電平下進行試驗。其電流電平的允許偏差為士10%,功率電平的允許偏差為士20%。a)在105℃至少存放24h后，在室溫至少存放2h,或在室溫存放一周。b)在整個測量期間溫度應(yīng)保持恒定(依據(jù)IEC60444-5)。c)激勵電平采用兩種類型的量值。從最低電平到最高電平再回到最低電平的順序測量，激勵電1)當(dāng)激勵電平的量值單位是mA時，從2μA到標(biāo)稱激勵電平，至少測量7個采用對數(shù)比例2)當(dāng)激勵電平的量值單位是μW時，從2nW到標(biāo)稱激勵電平，至少測量7個采用對數(shù)比例5f)N個激勵電平應(yīng)為對數(shù)比例，即DLw+?=DLx×K。推薦的激勵電平公式(除技術(shù)規(guī)范另有規(guī)定外)見公式(2): (2)g)在特殊應(yīng)用中，可能需要更多的激勵電平數(shù)量。例如機械耦合引起的非線性寄生諧振(跳變)和失效分析應(yīng)用。6(規(guī)范性)石英晶體元件的激勵電平和機械位移之間的關(guān)系晶體元件的功率損失由式(A.1)給出：Pc=I2·R?I——通過晶體元件的電流，單位為安培(A);無功功率由式(A.2)給出：PB——無功功率，單位為瓦特(W);f——諧振頻率，單位為赫茲(Hz);Q——品質(zhì)因數(shù)。電能由式(A.3)給出；晶體元件的機械能可由式(A,4)～式(A.8)描述：p=2650kg/m3(密度)……………(A.8)式中：Aa——電能，單位為瓦特V——振動區(qū)域的體積，單位為立方米(m3);c——振動模的彈性模量(對AT切晶體元件，c=cí=2.93×10°N/m2);x=△l/l——延伸率；s——距靜止位置的偏移，單位為米(m);b=d2s/dt2——加速度，單位為米每二次方秒(m/s2)。體積V可以由電極面積Fm和電極間距d近似計算，見式(A.10)。先按式(A.9)計算靜電容：7e,——AT切石英材料的相對介電常數(shù)，數(shù)值為4.54;ee——真空介電常數(shù)，數(shù)值為8.86×10-“F/m。得到式(A.10):式中：n——泛音次數(shù)。且根據(jù)機械振動的速度、延伸率、位移或加速度所得到的電流見式(A.11)～式(A.14):,式中1,式中1對非凸面AT切晶體元件，式(A.15)也適用：式中：n——泛音次數(shù)。常數(shù)“250”很適合小型化晶體元件的測量值，如表面貼裝晶體元件。另一方面，對于普通晶體元件，當(dāng)C。=5pF時，取下列電流時可得：v?=0.01m/sv?=0.2m/sx?=1.8×10-*x?=3.6×s?=6.7×10-1ms?=1.3×10b?=2.6×10?m/s2b?=5.3×10?m在f=100MHz時；s?=6.7×10~“mb?=2.6×10?m/s2b?=5.3×10'm每個型號晶體元件的極限條件引起的最大電流或最大電平取決于石英晶體元件的頻率、品質(zhì)因數(shù)和振動模式及其振動區(qū)域的體積。這些器件在振蕩器和濾波器中應(yīng)用時，不應(yīng)超過其最大電流或最大電平。8(規(guī)范性)方法C:使用振蕩器法測量DLD為檢驗整個激勵電平范圍內(nèi)的DLD效應(yīng)，6.1中規(guī)定的方法是非常不經(jīng)濟的，而且該方法不適合進行100%的合格判定試驗。下面推薦的方法測試晶體元件起振期間的最大R,是很經(jīng)濟的。該方法可用于100%的最終檢驗，也適用于100%的進貨檢驗。該方法還可以作為一種儀器，以判斷晶體元件是否符合詳細(xì)規(guī)范中規(guī)定的R的要求。振蕩器中晶體元件的作用可由圖B.1表示。圖B.1振蕩器中的晶體元件的接入當(dāng)電路的一R。的值小于晶體元件R,時，電路將不產(chǎn)生振蕩。起振期間，晶體元件的R,相當(dāng)于圖B,2所示的情況。圖B.2晶體元件損耗電阻隨耗散功率的變化關(guān)系晶體元件經(jīng)數(shù)次測量時，特征曲線向右或向左緩慢移動或逐漸平坦。比值γ=Ra/R,也可能會因每次測量而不同，即使γ值達到某一確定值(臨界值),該比值也并不意味著振蕩器可能停止工作。其最重要的意義是晶體元件呈現(xiàn)的最大R,與振蕩器電路的R。值之間的保險裕度。建議電路應(yīng)取|-Rl≥3|R,|,因為在溫度范圍內(nèi)R.…和-R。一樣都會偏移。起振期間，激勵電平從低的值(圖B.3曲線圖的左側(cè))移向標(biāo)稱激勵電平。9GB/T22319.6—2023/IEC60444限值達1mW的反饋網(wǎng)絡(luò)和一個帶有LED目測指示的檢測器電路組成?！h(huán)路增益>1,表明|-R|>R,; 振蕩器的負(fù)電阻(及其DLD拒收水平)能通過與振蕩器串聯(lián)的一個正電阻器來調(diào)節(jié)。用這種方法可以選擇0Ω~200Ω之間任一數(shù)值。將具有足夠低的R,