专利名称：包括热控压电谐振器的振荡器装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种包括压电谐振器元件的小型振荡器装置。本发明更特别涉及能够 将其压电谐振器元件保持在基本恒定温度的这样一种振荡器装置。
背景技术：
在诸如钟表、信息技术、电信、GPS以及医药领域之类的很多领域中，小型晶体振荡 器装置最常用于制作特别是用于电子设备的基准频率发生器。小型晶体振荡器装置常常(但是非必须)是SMD (表面安装装置)。小型表面安装 晶体振荡器装置是已知的，其包括用于表面安装的外壳、压电谐振器元件(晶体)、以及连 接至压电谐振器元件以形成振荡电路的集成电路芯片(IC芯片)。IC芯片和压电谐振器元 件二者都布置在外壳的紧密密封空腔的内部。来自晶体振荡器装置的谐振器频率输出信号通常会由于振荡器的温度的变化而 变化。很多方法已被知晓用于抵消由周围环境温度的变化引起的这种影响。例如，已知晶 体振荡器装置包括用于加热振荡电路和/或压电谐振器元件的恒温箱。恒温控制的晶体振荡器(OCXO)通常包括加热器和连同加热控制电路一起控制加 热器的温度传感器。加热控制电路作为周围环境温度的函数控制供应给加热器的电能。所 提供的电能的数量随周围环境温度而改变，以这样的方式将晶体和其他关键线路保持在预 定的恒定温度。通常，将预定温度选成大约高于最高预期的周围环境温度10度。压电谐振器元件的谐振器频率通常接近温度的平方或立方函数中的其中一个。通 常在曲线上存在至少一个固定的点，在该点处频率相对温度的斜率为0。应将压电谐振器元 件选择为使得固定点与恒温箱的期望的恒定温度一致。以这种方式，围绕预定的恒温温度 的不可避免的温度周期变化在频率稳定性上将只有微小的影响。在OCXO中，通常将压电谐振器元件封闭在壳体中，并且整个壳体被加热器覆盖。 这样的恒温控制的振荡器装置具有良好的温度特性。然而，它同样具有大功率消耗和长预 热时间(warn-up time)的缺点。专利文件US 5，917，272公开了一种具有降低的功率消耗 的晶体振荡器装置。该振荡器装置包括通过高热传导支撑夹以热传导方式安装在导热基板 上的压电谐振器元件。由于支撑夹是导电的，所以它们也被用于将压电谐振器电连接至基 板表面上的导电路径。导热基板同样带有加热装置、控制电路及温度传感器。基板自身通 过热绝缘柱以热绝缘的方式安装在气密封装中。进一步将电引线布置在该封装内部以将基 板连接至连接焊盘(pad)，连接焊盘依次连接到外部。为了限制热传导，电引线由极细的导 线制成。由于带有加热装置和压电谐振器元件的基板与气密封装的壁相当良好的绝缘，所 以极大的降低了散热。然而，这些现有技术中的晶体振荡器装置具有一些问题。实际上，当周围环境温度 改变时，装置的外部表面的温度也会改变。由于装置至少部分的封装于导热材料中，所以周 围环境温度的变化朝内传播。由于压电晶体元件直接放置在盖子下面，所以一定的热量容 易受到从盖子到晶体元件的辐射的影响或反之亦然。此外，振荡电路被提供在封装的外面。
3因此，周围环境温度的变化可由热传导通过振荡电路、电引线以及最终通过支撑夹传递到 压电谐振器单元。周围环境温度的改变必须在控制电路激活加热器之前首先到达安装在基板上的 温度传感器。由于压电谐振器单元与温度传感器隔开，所以两个单元中的温度变化率是不 同的。这会导致在温度控制电路反应之前产生延迟。此外，一旦温度控制起作用了，它就需 要时间使通过加热器产生的热量到达压电谐振器单元。随之而来的是，存在这样的风险，即 压电谐振器单元的温度会充分偏离装置的设定点温度。因此，不能保证真正的稳定振荡。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种晶体振荡器装置，该装置可以被制作得足够小以 适合表面安装技术(SMD)，并且其具有降低的功率消耗及在周围环境温度变化的情形下更 稳定的谐振器频率。为此，根据本发明的晶体振荡器装置包括形成真空腔的气密壳体、压电谐振器元 件、振荡电路、温度传感器以及在具有有源表面的集成电路芯片中实施的加热单元，将压电 谐振器元件和振荡电路连接在一起以形成振荡电路，并且将温度传感器和集成电路芯片与 压电谐振器元件封闭在真空腔中，其特征在于-以集成电路芯片支撑压电谐振器元件的方式将压电谐振器元件以热传导的方式 附接于集成电路芯片的有源表面。在这里，“有源表面”指的是集成电路芯片(IC芯片)的两个主要表面之一，在其上 面可以形成电子电路，例如加热单元。IC端子同样形成在有源表面上以用于连接IC芯片。还应当理解，“压电谐振器元件”指的是未覆盖的晶体而不是指通过在其自己壳体 中封闭晶体谐振器而形成的单元。根据本发明，加热单元在IC芯片中实施。这种布置的优点是压电谐振器元件和加 热单元被定位成彼此邻近。该特征有利于降低从装置的设定点温度偏离的幅度。根据本发明的一个特定实施例，振荡电路连同加热单元一起在集成电路芯片中实 施。在这种情形下，优选地以形成与振荡电路直接电连接的方式将压电谐振器元件附接于 集成电路芯片的有源表面。这种布置允许省却用于连接压电谐振器元件和振荡电路的引 线。因此，将来自热传导的热损失保持在最小。根据本发明的另一个特定实施例，温度传感器连同加热单元(并且也可能与振荡 电路一起)在集成电路芯片中实施。该特定实施例的优点是由于温度传感器和压电谐振器 元件被定位成邻近加热单元，所以晶体振荡器装置可以对温度的任何变化作出非常快速的 反应。
在阅读下面仅以非限制实例方式给出的描述并且参考附图之后，将会呈现本发明 的其他特征和优点，其中图Ia为适用于封装根据本发明的晶体振荡器装置的表面安装(SMD)型的陶瓷壳 体的透视图；图Ib为示出其4个连接管脚的图Ia的陶瓷壳体的示意图2a为由根据本发明的一个示例性实施例的晶体振荡器装置的压电谐振器单元 和IC芯片形成的组件的示意性表示；图2b示意性地描绘从壳体的盖子上看的并示出了到IC芯片和来自IC芯片的电 连接的图2a的组件，；图3为示出图1的陶瓷壳体的真空腔内部的IC芯片和压电谐振器单元的截面图；图4示出从壳体的盖子上看的图3的压电谐振器单元和IC芯片，因此图示出IC 芯片是如何通过支撑板中的孔安装的。
具体实施例方式图Ia和Ib示出适用于封装根据本发明的晶体振荡器装置的陶瓷壳体1。所图示 的陶瓷壳体为表面安装(SMD)型。壳体1可具有非常小的尺寸。例如，壳体可以与标准的 MCSO同样大小。即长14毫米、宽9毫米并且高3. 2毫米。如图Ib的示意图所更清楚图示 的那样，壳体1带有4个外部电极(或管脚)3、5、7及9。这些电极被布置成穿过壳体的底 部或侧面将壳体内部的晶体振荡器装置的部件连接至外部电路(未示出)。将电极3布置 成连接至供电电压(Vcc)，并且将电极9布置成连接至接地(Gnd)。以已知的方式，将电极7 布置成连接至允许控制振荡频率的控制电压。最后，电极5为来自晶体振荡器装置的频率 输出。图2a和2b示出压电谐振器元件11及其电连接，但是没有壳体1。在所图示的实 例中，压电谐振器元件为AT切割(AT-cut)的石英晶带。根据本发明，将压电谐振器单元11 安装在IC芯片13的有源表面13a上，并且在IC芯片中实施加热单元(未示出)。在本实 例中，振荡电路以及温度传感器也在IC芯片13中实施。将振荡电路和该压电谐振器元件 连接在一起以形成振荡电路。以已知的方式，压电谐振器元件的表面带有被布置的金属化部，以形成两个电极 和四个连接焊盘(可在图2b中看到的它们中的两个并被标记为15和16)。谐振器的连接 焊盘全部位于晶带的相同端部(两个在上面且两个在下面)，并且每一个电极都在该带的 一个主表面上延伸。导电路径还将每一个电极连接至该带的任一个主表面上的一对连接焊 盘。当把电极的其中之一连接至振荡电路的一个极点时，将另一个电极连接至另一个极点。 可变电场可横穿压电材料而形成在电极之间，并使得晶带振动。如已经提及的，在其上安装有压电谐振器单元11的IC芯片13的侧面对应于IC 芯片的有源表面13a。换句话说，将压电谐振器元件11安装于在其上形成电子电路的IC芯 片的特定侧。用于连接芯片的IC端子(未示出)同样形成在有源表面上。将IC端子布置 在有源表面上，以使得当压电谐振器元件相对于IC芯片适当定位时，连接至集成振荡电路 的两个IC端子直接面对形成在晶带11的底部表面上的两个连接焊盘。这种布置允许将压 电谐振器元件和振荡电路直接连接而不需要电引线。例如，谐振器和IC之间的连接接合可 通过超声倒装法接合或简单地通过对每个连接焊盘使用传导胶轻敷来实现。任何人都将会 理解，以刚才描述的方式将谐振器接合至IC芯片具有如下优点在为谐振器提供适当的机 械支撑的同时在两个部件之间提供热和电的传导。集成用于晶体振荡器装置的电子线路中的每一个单个部件通常是不切实际的。这 是为什么图2b示出从IC芯片延伸的多个电引线(它们都被标记为33)以及从晶体谐振器的顶表面上的两个连接焊盘15、16延伸的另外两个电引线的原因。在该特定实施例中， 将后面的两个引线布置成分别连接谐振器的输入端和输出端至输入电容器和输出电容器 (电容器未示出)。提供从IC芯片延伸的四个电引线33以将各自的IC端子连接至装置 (如图Ib所示)的四个外部管脚3、5、7及9。使用两个剩下的电引线33将各自的IC芯片 的端子连接至用于电源(未示出)的去耦电容器、连接至用于加热单元的大电容器(未示 出)、连接至基于经由外部电极7(图lb)提供的控制电压来控制振荡频率的电阻器和变容 二极管(未示出)、以及连接至用于调节谐振器的驱动电平的电阻器(未示出)。为了改善 热绝缘，通常优选地将上述所有的电阻器和电容器都连同IC芯片封闭于真空腔中。将每一 个单个部件连接至IC芯片的方式将不再进一步详细阐述。实际上，本领域普通技术人员对 于所能想到的连接这些部件的适当方式不会有任何问题。如前所述，根据已图示的实例，振荡电路和温度传感器连同加热单元一起在IC芯 片13中实施。然而，根据本发明，仅电子线路的一部分必须在IC芯片13中实施，该部分就 是加热单元。因此，根据可替换的实施例，不仅大电容器和电阻器，实际上整个电子线路都 可能以独立单元的形式进行实施。图3为示出如何将IC芯片13和压电谐振器元件11布置在陶瓷壳体1的内部的 截面图。在该特定实例中，形成具有五个陶瓷材料层25、26、27、28及29的壳体1。提供大 的真空腔23以用于容纳IC芯片13、压电谐振器元件11、以及上述所有电路部件。在真空 腔23内部提供由支撑板27、外围壁28和盖子29形成的三级(three level)组件。陶瓷层 以气密的方式彼此附接。本领域普通技术人员知道用于附接陶瓷层的适当的方法。如图3 所示，IC芯片固定地安装在支撑板27上。由于陶瓷材料具有导热性，所以优选地在IC芯片 和支撑板之间插入由热绝缘材料层形成的垫块(shoe)31。如前所述，多个薄电引线33(仅 在图3中示出了一个)经由陶瓷壳体1内部上的连接焊盘(未示出)为IC芯片13提供必 要的连接。为了进一步改善晶体振荡器装置的热绝缘，将封闭真空腔23的三个陶瓷层27、 28,29安装在由陶瓷基板25和中间板26形成的基底结构的顶部。此外，如图3所示，在基 底中提供较低空腔35，其在支撑板27的下面，直接与集成电路芯片13相对。在图3中还可 以看到，通过支撑板27中的孔37将较低空腔35连接至真空腔23，并且IC芯片13以桥跨 孔37的方式安装在支撑板27上。以这种方式，实际上IC芯片的所有侧都被真空包围。任 何人都将会理解，这种布置大大地限制了可用于热传导的路径，并改善了热绝缘。现在参照附图4，可以看到孔37为矩形形状。从上面看，IC芯片13具有大体相似 的尺寸，但是相对于孔37旋转了 90°。在这种配置中，孔37比IC芯片13更宽更短。如 图所示，当芯片13桥跨孔37时，热绝缘垫块31和支撑板27之间的接触被限制成在孔37 的相对侧上的两个狭窄的带38a和38b。通过将垫块31和支撑板27之间的接触面积限制 成两个狭窄的带38a、38b，所述的布置允许进一步限制从IC芯片到支撑板的热传输。如前 所述，孔37还比IC芯片13更宽。因此，IC芯片没有整个覆盖支撑板27中的开口。如图 4所示，IC芯片13每一侧上的两个狭窄开口 40a、40b将真空腔23连接至较低空腔35。这 种布置允许确保当在真空腔中产生真空时，在较低空腔中也产生真空。将要理解的是，对本领域技术人员来说显而易见的是可以在不偏离由附加的权利 要求限定的本发明的范围的情况下实现形成本说明书主体的实施例的各种替换和/或改进。特别的，还可能使用SC切割(SC-CUt)晶体或任何其他已知类型的压电谐振器元件来 替换使用压电谐振器元件的AT切割晶体。
权利要求
一种晶体振荡器装置，包括形成真空腔(23)的气密壳体(1)、压电谐振器元件(11)、振荡电路、温度传感器、以及在具有有源表面(13a)的集成电路芯片(13)中实施的加热单元，压电谐振器元件(11)和振荡电路被连接在一起以形成振荡电路，并且将温度传感器和加热单元与压电谐振器元件(11)封闭在真空腔(23)中，其特征在于以所述集成电路芯片支撑所述压电谐振器元件的方式将所述压电谐振器元件以热传导的方式附接于集成电路芯片(13)的有源表面(13a)。
2.根据权利要求1所述的晶体振荡器装置，其中将所述振荡电路连同所述加热单元一 起在所述集成电路芯片(13)中实施，并且其中以直接连接至所述振荡电路的方式将所述 压电谐振器元件(11)附接于所述集成电路芯片的有源表面(13a)。
3.根据权利要求1或2所述的晶体振荡器装置，其中将温度传感器连同加热单元一起 在所述集成电路芯片(13)中实施。
4.根据权利要求1所述的晶体振荡器装置，其中通过导热胶将所述压电谐振器元件 (11)附接于所述集成电路芯片(13)的有源表面(13a)。
5.根据权利要求1所述的晶体振荡器装置，其中通过超声倒装法接合技术将所述集成 电路芯片(13)和所述压电谐振器元件(11)接合在一起。
6.根据权利要求1所述的晶体振荡器装置，其中所述气密壳体(1)由陶瓷制成。
7.根据权利要求1所述的晶体振荡器装置，其中所述气密壳体(1)包括在所述真空腔 (23)顶侧上的盖子(29)和在所述真空腔底侧上的支撑板(27)，所述支撑板具有两个相对 的顶部表面和底部表面，其中将所述集成电路芯片(13)安装在支撑板上，有源表面(13a) 朝上，将一些热绝缘材料(31)插入到所述集成电路芯片和所述支撑板之间。
8.根据权利要求7所述的晶体振荡器装置，其中将所述支撑板(27)布置在所述气密壳 体(1)的基底(25、26)上，所述气密壳体进一步包括布置在所述支撑板下面的基底内部、与 所述集成电路芯片(13)相对的较低空腔(35)。
9.根据权利要求8所述的晶体振荡器装置，其中所述支撑板(27)中的孔(37)连接所 述真空腔(23)和所述较低空腔(35)。
10.根据权利要求9所述的晶体振荡器装置，其中所述集成电路芯片(13)桥跨所述孔 (37)。
11.根据上述权利要求中任一项所述的晶体振荡器装置，其中所述壳体为表面安装 (SMD)型并包括重叠的陶瓷层(25、26、27、28、29)。
全文摘要
一种包括热控压电谐振器的振荡器装置，包括形成真空腔(23)的气密壳体(1)、压电谐振器元件(11)、振荡电路、温度传感器、以及在具有有源表面(13a)的集成电路芯片(13)中实施的加热单元。压电谐振器元件(11)和振荡电路被连接在一起以形成振荡电路。此外，将温度传感器和加热单元与压电谐振器元件(11)封闭在真空腔(23)中。以IC芯片为所述压电谐振器元件提供机械支撑的方式将所述压电谐振器元件以热传导的方式附接于集成电路芯片(13)的有源表面(13a)。由此使得该装置具有降低的功率消耗及在周围环境温度变化的情形下更稳定的谐振器频率。
文档编号H03H9/00GK101895270SQ201010161780
公开日2010年11月24日 申请日期2010年3月8日 优先权日2009年3月9日
发明者J·-M·纳维特 申请人:微晶公司