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(通常稱為“晶振”)由于其無與倫比的高Q，穩(wěn)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，石英諧振器在滿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時間、溫度和其他環(huán)境的變化而非常穩(wěn)定，并且從一個樣品到另一個樣品具有高度可重復性。石英的聲損失或內(nèi)耗非常低，這直接導致了石英晶振的一個關(guān)鍵特性，即極高的Q因子。石英在1mhz時的本征Q約為107。安裝的諧振器通常具有從數(shù)萬到數(shù)十萬的Q因子，這比最好的LC電路要好幾個數(shù)量級。

石英諧振器的第二個關(guān)鍵特性是其相對于溫度變化的穩(wěn)定性。根據(jù)晶坯的形狀和方向，可以使用許多不同的振動模式，并且可以通過適當?shù)倪x擇將石英諧振器的頻率-溫度特性控制在接近的范圍內(nèi)。最常用的諧振器類型是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基本特性與其機械性能的穩(wěn)定性有關(guān)。短期和長期的穩(wěn)定性表現(xiàn)為每年只有百萬分之幾的頻率漂移，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(wěn)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。最初，石英板是由天然石英制成的，但今天，人工培養(yǎng)的石英幾乎完全被使用。薄片(也稱為晶圓片或毛坯)是相對于石英材料的結(jié)晶軸在一個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取向種子晶體生長的培養(yǎng)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軸為代價促進了Y方向的生長。晶種是經(jīng)過精心挑選的，以避免在晶體生長過程中可能產(chǎn)生的缺陷。表明了晶種的位置。從x軸向左傾斜的線表示AT板的鋸切位置，向右傾斜的線表示bt切割。在實踐中，這些角度是非常關(guān)鍵的，并使用布拉格x射線衍射精確確定。

振動模式

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

(a)彎曲模式(彎曲或彎曲);切口:5°X, NT;頻率~ 100khz。

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

(c)剪切模式(兩個平行平面向相反方向滑動)。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)所需的振動模式。雖然已經(jīng)開發(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)被后來的發(fā)展淘汰了。除了用于石英手表和時鐘的低頻音叉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(shù)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或另一個的特性，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(nèi)制造，并且在此范圍內(nèi)通常是大多數(shù)應用的最佳選擇。然而，AT-cut對諧振器體內(nèi)的應力很敏感，無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(wěn)定性的應用，這種應力敏感性是一個缺點，并且已經(jīng)開發(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(zhuǎn)晶體家族中的一種(石英晶體以相對于三個結(jié)晶軸中的兩個的角度切割)。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(zhuǎn)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(nèi)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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