石英晶体的基本理论

什么是石英:

石英的技术公式是 SiO₂ 和主要组成部分，是许多岩石和沙子。晶体由 SiO₂ 或石英形成，但可以生产制造石英晶体元件的高纯度石英，于自然界的量是很少的。 供应受限和高成本的天然石英，发展了合成石英制造业。合成石英制造技术使石英晶体变成一个现代电子生产不可或缺的组成部分。

什么是石英晶体元件:

石英晶体包括一块精确尺寸的压电材料和取向相对晶轴。这种晶片（也称为片 plate 或坯 blank）有一对或多对导电电极，由真空蒸发形成。当施加电场于电极之间，压电效应激发晶圆做机械振动。

石英晶体单位（通常称为晶体谐振器）广泛用于频率控制应用，因为他们无与伦比的高 Q 组合，稳定，小体积，低成本。很多不同的材料物质，已经被研发来作为可能的谐振器材料，但多年来石英谐振器仍是精确频率控制的首选。 相对于其他谐振器，例如，LC 电路，机械谐振器，如音叉，和压电陶瓷谐振器或其他单晶材料，石英谐振器有一个特别的性能组合。

首先，单晶石英材料性能，时间、温度、和其他环境变化非常稳定，以及高重复性从一样品到另一个样品。声损耗或石英内耗非常低，这结果使石英谐振器具有极高的品质因数 (Q Factor)。 石英内在的 Q 值约为 10⁷ 于 1 MHz。声波谐振器通常 Q 值范围从数万到数十万，这是个数量级比LC 电路好。

第二，石英谐振器关键性能是它对于温度变化的稳定性。根据不同的形状和方向的晶体坯，许多不同的振动模式可以使用，这是可以控制石英谐振器的频率-温度特性，并在极限范围内作适当的选择。 最常用的谐振器类型是 AT 切，其中石英坯是薄板形式切的角度约35° 15' 到光轴晶体。

第三，石英谐振器的基本特征是稳定的机械性能。 短期和长期的稳定性表现在频率漂移，漂移量只有几点每百万每年。精密晶体元件严密控制条件下生产，实现稳定度和精度仅次于原子钟的频率。

压电如何使石英振荡器工作:

压电 "piezo-electricity" 一词来自于希腊 piezein “压力”，字面意思是电压力。压电材料的某些等级，一般会对任何机械应力的产生电荷。在压电介质的应变或位移呈线性的应力和电场关系。 逆压电效应也是存在的，即机械应变产生在晶体中的两极电场。这是基本的效应产生石英晶体的振动。

为什么最佳角度切如此重要:

正确的示意图 (Figure-1) 是一个人造石英晶体生长从一个 Y 型晶种，用于制造 AT 切谐振器。 晶种建立初始晶体取向，向 Y 轴增长并萎缩 Z 轴。德铭特精心挑选晶种，避免缺陷影响的晶体生长。晶种的位置如图所示。X 轴左边斜线标示 AT 切，右边斜线标示 BT 切。 在实践中，这些角度都是非常关键的，且使用精确的布拉格散射 (Bragg diffraction) 测定（也称为布拉格制定的 X 射线衍射）。

AT 切的特点是谐振器最常用类型的。它的频率温度系数可用温度三次方函数表达，可以精确地控制在小角度变化的削减。这立方的特性对比于其他大多数水晶切的抛物线温度特性。 这使得 AT 切非常适合应用所要求的高程度频率稳定度于广泛的温度范围。其他重要的特性是老化和 Q 品质因子。

振动模式:

AT 切谐振器的使用厚度切变振动模式 (Figure-2). 驻波是建立在晶坯，由厚度方向两主面穿越波反射。主要机械位移是在晶体平面与波的进行方向成直角。 在一个奇数半波长的共振是被包含于晶坯厚度平面。因此，厚度是主要的频率决定因素。

通常 AT 切生产的频率范围：

• 1 MHz ~ 32 MHz 以基谐模式
• 30 MHz ~ 250 MHz 以振动模式 (3rd; 5th; 7th; 9th)

低于 1 MHz 厚度剪切模式谐振器变得过于迟钝，一般用途和其他振动模式使用如下：

• 低于 100 KHz 挠曲模式, 长度伸展模式
• 100 KHz 面剪切模式 (CT-Cut; DT-Cut; SL-Cut)

每个振动模式都有一个最佳的角度切，它控制石英晶体在温度范围内的频率偏差。

石英晶体的词汇及术语

老化 Aging:

晶体的频率变化在特定条件下运作一定时间的期限。

AT-切割 AT-Cut:

晶体切割，该的合成石英方向设于 35°15' 的 Z 轴及其温度特性为三次曲线。厚度切变振动模式。

高压蒸锅 Autoclave:

特殊钢铁的密封容器，可承受高压和高温。

底基电镀 Base-Plating:

将金属层加工到晶体表面。主要有两种方法：1. 真空沉积和溅射。2. 真空沉积是在真空状态下将金属熔化。溅射方法是用气体离子轰击钯材表面，将钯材溅射靶标的物上。

BT-切割 BT-Cut:

晶体切割，该的合成石英方向设于 -49° 的 Z 轴及其温度特性曲线为翻转曲线。振动模式为厚度切变。

旁路电容器 Bypass Capacitor:

旁路电容器组件，电源供应系统用以降低阻抗插入电源引脚和地脚之间的集成电路。使用电容量适合振荡频率的旁路电容，将装配组件靠近集成电路。
例如：KHz 频率范围： 10μF 到 100μF；  MHz 频率范围： 0.01μF 到 0.1μF。

晶体谐振器的抑制基本模式 Crystal Resonators with Suppressed Fundamental Mode:

晶体的抑制基本模式，旨在抑制谐振器的第三阶泛音振荡，以确保适当的谐波振荡。这些晶体使频率振荡的谐波对电路而不使用调节线圈。 这有利于减少电路中的元件的数目，且减少了调节的要求和元件的小型化。

等效电路 Equivalent Circuit:

晶体谐振器的电气等效电路运作在机械谐振频率。

频率 Frequency:

定期发生的数目现象（如无线电波或声波）每一秒，经常测量赫兹（Hz）。

全温度范围的频率特性 Frequency Characteristics over Temperature:

允许频率偏差在室温下，在百万分之一(×10^-6)。这是最高值的工作温度范围。

频率公差 Frequency Tolerance :

允许偏差的标称室温（25°C），这表明在百万分之一(×10^-6)。

基本晶体谐振器 Fundamental Crystal Resonators:

晶体谐振器设计的最低阶振荡（基本）振荡模式。

工作温度范围 Operating Temperature Range:

温度范围其中 晶体谐振器在允许偏差内可以运作的的范围。

泛音晶体谐振器 Overtone Crystal Resonators:

晶体谐振器设计中的振荡谐波的振荡模式（第三，第五和第七）。

品质因数 Q-Factor:

水晶振动能量和高纯度的共振峰值。

回流 Reflow:

焊接的方法，融锡膏涂于连接焊盘的 PCB（印刷电路板）贴装电子元件。

密封 Sealing:

在包封加工中做到完全封闭，滴水不漏。这加工过程是在氮气或真空状态，以防止频率的稳定度随着时间的推移而变差。密封有两种方法：缝焊和玻璃密封。

石英种子 Seed Quartz:

高纯度晶体片或坯作为晶核，种养成人造的合成石英条。这水晶片/坯作为再结晶的晶种。

德铭特的优势 - 新型陶瓷外盒石英晶体谐振器:

石英晶体是由水热法生长的一种功能材料，有优良的压电性能和光学性能，物理、化学性能稳定，具有左右旋结构特征，在0.15～4μm的范围内，有较好的透过率。可用作棱镜、滤光片、偏振片、波片、旋光片等，可制成各种体波和声表面波滤波器、谐振器、和振荡器。

新兴电子化的工业产品及消费，带领制造行业生产，无线通讯和有线数据传输需求的增加速度，已经大过于"石英晶体谐振器和晶体振荡器"元件的生产速度。

数据传输必须同步在高宽带系统，因而带动时脉产品需求。 德铭特石英晶体元件（谐振器）和滤波器提供精确定时信号，确保可靠的高速数据传输的应用，如笔记本电脑，网络交换机。德铭特使用压电加工技术，生产石英谐振器时基芯片，提供非常高的初始频率和较低的温度系数。

压电晶体产品市场的特点是价格竞争，和技术迅速的变化。 由于高速、高频晶体元件日益增加的需要，以及新消费性产品的市场需求， 德铭特的陶瓷石英晶体谐振器，采用最新的高频 AT 切技术，高稳定性及信赖性，小型化的表面贴装尺寸，符合最新的工业需求，提供了元件工程师多重选择的现成解决方案，以满足今天全球市场的动态的需求。

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