Fortiming晶振公司淺談石英晶體諧振器的基本技術(shù)。石英晶體諧振器(通常稱(chēng)為“晶振”)由于其無(wú)與倫比的高Q，穩定性，小尺寸和低成本的組合而廣泛應用于頻率控制應用。許多不同的物質(zhì)已經(jīng)被研究作為可能的諧振器材料，但多年來(lái)，石英諧振器在滿(mǎn)足精確頻率控制的需要方面一直是首選。與其他諧振器相比，例如LC電路，機械諧振器(如音叉)和基于壓電陶瓷諧振器或其他單晶材料的諧振器，石英諧振器具有獨特的性能組合。

首先，單晶石英的材料特性隨著(zhù)時(shí)間、溫度和其他環(huán)境的變化而非常穩定，并且從一個(gè)樣品到另一個(gè)樣品具有高度可重復性。石英的聲損失或內耗非常低，這直接導致了石英晶振的一個(gè)關(guān)鍵特性，即極高的Q因子。石英在1mhz時(shí)的本征Q約為107。安裝的諧振器通常具有從數萬(wàn)到數十萬(wàn)的Q因子，這比最好的LC電路要好幾個(gè)數量級。

石英諧振器的第二個(gè)關(guān)鍵特性是其相對于溫度變化的穩定性。根據晶坯的形狀和方向，可以使用許多不同的振動(dòng)模式，并且可以通過(guò)適當的選擇將石英諧振器的頻率-溫度特性控制在接近的范圍內。最常用的諧振器類(lèi)型是at切割，其中石英坯以薄板的形式切割，與晶體的光軸成約35°15'的角。

石英諧振器的第三個(gè)基本特性與其機械性能的穩定性有關(guān)。短期和長(cháng)期的穩定性表現為每年只有百萬(wàn)分之幾的頻率漂移，這很容易從商業(yè)單位獲得。在嚴格控制的條件下制造的精密晶體單元在頻率穩定性和精度方面僅次于原子鐘。

石英石板材方位

石英晶振由適當安裝和金屬沉積的晶體石英板組成，利用體聲波(BAW)振動(dòng)。最初，石英板是由天然石英制成的，但今天，人工培養的石英幾乎完全被使用。薄片(也稱(chēng)為晶圓片或毛坯)是相對于石英材料的結晶軸在一個(gè)精確的方向上制造的。方向或“切割”決定了諧振器的頻率-溫度特性和其他重要特性。

以上是用于制造at切割諧振器的由y取向種子晶體生長(cháng)的培養石英晶體的示意圖。種子晶體建立了最初的晶體取向，并以犧牲z軸為代價(jià)促進(jìn)了Y方向的生長(cháng)。晶種是經(jīng)過(guò)精心挑選的，以避免在晶體生長(cháng)過(guò)程中可能產(chǎn)生的缺陷。表明了晶種的位置。從x軸向左傾斜的線(xiàn)表示AT板的鋸切位置，向右傾斜的線(xiàn)表示bt切割。在實(shí)踐中，這些角度是非常關(guān)鍵的，并使用布拉格x射線(xiàn)衍射精確確定。

振動(dòng)模式

石英石板，像所有的板一樣，有許多振動(dòng)模式。如下圖所示，有三種基本的振動(dòng)模式。

(a)彎曲模式(彎曲或彎曲);切口:5°X, NT;頻率~ 100khz。

(b)拉伸模式(沿板長(cháng)度方向的位移);切割:MT, GT;頻率:40 - 200khz。

(c)剪切模式(兩個(gè)平行平面向相反方向滑動(dòng))。該模式細分為:

臉剪切;切口:CT、DT;頻率:100 - 600千赫。

厚度剪切;切割:AT, BT, SC;頻率:1 - 30mhz(基頻);30 - 90 MHz(三次諧波泛音模式);60 - 150 MHz(5次諧波泛音模式);等。

Fortiming晶振公司淺談石英晶體諧振器的基本技術(shù)。適當定向的電極激發(fā)所需的振動(dòng)模式。雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量不同的切割，但有些只用于低頻，有些用于頻率控制以外的應用，還有一些已經(jīng)被后來(lái)的發(fā)展淘汰了。除了用于石英手表和時(shí)鐘的低頻音叉32.768K外，當今應用中幾乎所有的石英諧振器都使用厚度剪切模式。在大約1mhz以上的頻率，主要使用At -cut和SC-cut。對于低于1mhz的頻率，厚度模式諧振器通常因為尺寸而變得不切實(shí)際，因為空白直徑必須遠遠大于厚度。

AT和SC切割諧振器頻率

Fortiming晶振公司淺談石英晶體諧振器的基本技術(shù)。厚度-剪切諧振器的基頻與其厚度成反比。晶坯越薄，頻率越高。在第三次、第五次諧波等泛音處有額外的共振，其頻率近似于基本共振頻率的奇數倍，但不是精確的。石英晶體諧振器通常被設計為優(yōu)化這些共振中的一個(gè)或另一個(gè)的特性，例如基頻或第三泛音，但其他泛音必須仍然存在。at -cut通常在1 MHz至250 MHz及以上的頻率范圍內制造，并且在此范圍內通常是大多數應用的最佳選擇。然而，AT-cut對諧振器體內的應力很敏感，無(wú)論是由外部溫度快速變化引起的溫度梯度引起的，還是由外力引起的。對于需要極端穩定性的應用，這種應力敏感性是一個(gè)缺點(diǎn)，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出新的晶體切割，例如SC(應力補償)切割，可以最大限度地減少這些影響。sc切割晶體是雙旋轉晶體家族中的一種(石英晶體以相對于三個(gè)結晶軸中的兩個(gè)的角度切割)。家族中的其他成員包括IT-cut和FC-cut。SC-cut的特殊角度(35°15 ø ~ 21°54)提供了最大的應力補償，代表了最佳的雙旋轉設計。SC-cut也是一種厚度模式諧振器，因此基本上可以在與AT-cut相同的頻率范圍內使用，但由于制造工藝困難，其商業(yè)可用性受到更多限制。

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