從石英晶體的材料到驅動功率再到振動模式作何解釋
來源：http://www.worldtalentltd.com 作者：億金電子 2019年07月19
使用石英為震蕩源的產品主要有石英晶體諧振器、石英晶體振蕩器.主要特點具有高穩定性(年老化率小于+/-3PPM)、高Q(質量因子)值、低功耗、小體積、易于使用.一般石英晶體諧振器的頻率可從數百赫茲至幾百兆赫茲.
晶振主要應用于通訊、航空航天、家用電器、數字電視、影音播放、鐘表,計算機業的微處理機、微電腦、終端機,量測設備、自動控制、電話、導航等領域.下面從石英晶體的材料到驅動功率再到振動模式為大家作一個全面的分析,有助于廣大用戶更好的使用晶振產品.
振動模式
同是AT切的晶體芯片,在振動模式上又有基頻(FUND),三次泛音,五次泛音等之分.小型SMD石英晶體諧振器而言,5次泛音很少,3次泛音一般在40M以上時才會少量生產.同一頻率的石英貼片晶振,3次泛音的厚度是基頻的3倍,例如鴻星晶振的48MHz三次泛音的厚度約為0.104mm(與16MHz基本波的厚度相同),48MHz基本波晶振的厚度約為0.034mm.在設計芯片厚度時,AT切的芯片的厚度與頻率,及振動模式有關,而與芯片的尺寸大小無關.做成成品后的AT切基頻石英晶振,AT切3泛音晶體與BT切晶體可以通過觀察其C0/C1值,TS值,電阻值及TC特性來區分.
石英芯片
石英芯片主要有方片(9.9*9.9),圓片(φ8.70-φ5.50),目前應用最廣泛的是條片,條片的主要尺寸有：
各種切型中目前較被廣泛應用之切型為AT、BT、DT.其他切型還有 CT、GT、NT、ET、FC、SC、LC等,石英產品一般是AT切,BT切產品一般出現在頻率30M以上的產品中.
石英材料(水晶)
石英產品主要是利用石英材料(水晶)的壓電效應制成的電子原件和器件,壓電效應是一種機電能量互換的現象,壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應,正壓電效應是以機械應力及應變(形變)作用而使物體產生電荷或電壓輸出.逆壓電效應是以電能輸入使之產生機械能或位移(形變)的輸出.如果把交變電壓施加到石英芯片兩個電極之間,當交變電壓的頻率與石英芯片固有頻率一致時,通過逆壓電效應,芯片便產生機械振動,同時又通過正壓電效應而輸出電信號.石英材料的壓電效應是有方向性的,只有在電軸方向才具有壓電效應.石英有天然石英和人造石英.天然石英和人造石英均為多面體形狀.目前電子元器件使用的主要是人造石英材料.主要成分為氧化硅之結晶體SiO2.
驅動功率(Drive Level)
激勵功率的大小直接影響石英晶體諧振器的性能,所以電路設計者一定要嚴格控制石英諧振器在規定的激勵功率下工作,以便充分發揮石英諧振器的特性激勵功率一般以微瓦為單位micro Watt,近幾年石英晶體生產技術大幅提升加上產小型化與低功耗需求的提升已不需要提供過高的驅動功率.
功率偏小對于長期穩定有利,功率稍大對于短期溫度有利.
激勵功率太大:
石英片振動強,振動區域溫度升高,石英片內產生溫度梯度,會使頻率穩定度降低；功率過大時由于機械形變超過彈性限度而引起永久性的晶格位移,使頻率產生永久性的變化,甚至有時會把石英片振壞；功率過大會使等效電阻增加(一般阻抗10~100奧姆),電極與接著材料的接口惡化,Q值下降,電阻溫度特性和頻率溫度特性變得不規則；激勵功率過大容易激起寄生振蕩,同時還會使老化變大.
激勵功率太低:
會使信號雜音比變小而影響短期穩定度,石英晶體諧振器不易起振,影響工作的穩定和可靠性,所以使用者應根據不同的要求嚴格控制激勵功率；更不能為了增大輸出而隨意提高激勵功率.
晶振主要應用于通訊、航空航天、家用電器、數字電視、影音播放、鐘表,計算機業的微處理機、微電腦、終端機,量測設備、自動控制、電話、導航等領域.下面從石英晶體的材料到驅動功率再到振動模式為大家作一個全面的分析,有助于廣大用戶更好的使用晶振產品.
振動模式
同是AT切的晶體芯片,在振動模式上又有基頻(FUND),三次泛音,五次泛音等之分.小型SMD石英晶體諧振器而言,5次泛音很少,3次泛音一般在40M以上時才會少量生產.同一頻率的石英貼片晶振,3次泛音的厚度是基頻的3倍,例如鴻星晶振的48MHz三次泛音的厚度約為0.104mm(與16MHz基本波的厚度相同),48MHz基本波晶振的厚度約為0.034mm.在設計芯片厚度時,AT切的芯片的厚度與頻率,及振動模式有關,而與芯片的尺寸大小無關.做成成品后的AT切基頻石英晶振,AT切3泛音晶體與BT切晶體可以通過觀察其C0/C1值,TS值,電阻值及TC特性來區分.
石英芯片主要有方片(9.9*9.9),圓片(φ8.70-φ5.50),目前應用最廣泛的是條片,條片的主要尺寸有：
| 芯片尺寸 | Hosonic晶振規格 | 芯片尺寸 | Hosonic晶振規格 | 芯片尺寸 | Hosonic晶振規格 |
| 8.00*2.00 | 49S/49SM/49SSM | 3.50*1.80 | 5S/5F/5032/OSC | 1.60*1.00 | 2SB |
| 5.00*2.50 | 8FA/7SB/7050/OSC | 2.80*1.20 | 4SB | 1.40*0.90 | 1AB |
| 4.00*1.80 | 6SB、6FA/B | 2.00*1.20 | 3SB |
石英芯片按是否修邊可分為平片、修邊片(凸片).低頻片一般要導邊(修邊),主要是降低電阻(ESR)；按是否拋光可分為非拋光片、拋光片(一般80.000 MHz以上進行拋光,降低芯片電阻). 石英芯片的基本加工工序主要有：切割、研磨、腐蝕、清洗.每一個工序跟頻率都有一定的相關性 .
切割：用不同角度對石英晶棒進行切割,可獲得不同壓電特性、彈性特性和強度特性之石英芯片其電特性也各異,用它來制造的諧振器的性能也不一樣,通常我們把石英芯片對晶棒坐標軸某種方位(角度)的切割稱為石英芯片的切型.各種切型中目前較被廣泛應用之切型為AT、BT、DT.其他切型還有 CT、GT、NT、ET、FC、SC、LC等,石英產品一般是AT切,BT切產品一般出現在頻率30M以上的產品中.
石英材料(水晶)
石英產品主要是利用石英材料(水晶)的壓電效應制成的電子原件和器件,壓電效應是一種機電能量互換的現象,壓電效應分為正壓電效應和逆壓電效應,正壓電效應是以機械應力及應變(形變)作用而使物體產生電荷或電壓輸出.逆壓電效應是以電能輸入使之產生機械能或位移(形變)的輸出.如果把交變電壓施加到石英芯片兩個電極之間,當交變電壓的頻率與石英芯片固有頻率一致時,通過逆壓電效應,芯片便產生機械振動,同時又通過正壓電效應而輸出電信號.石英材料的壓電效應是有方向性的,只有在電軸方向才具有壓電效應.石英有天然石英和人造石英.天然石英和人造石英均為多面體形狀.目前電子元器件使用的主要是人造石英材料.主要成分為氧化硅之結晶體SiO2.
驅動功率(Drive Level)
激勵功率的大小直接影響石英晶體諧振器的性能,所以電路設計者一定要嚴格控制石英諧振器在規定的激勵功率下工作,以便充分發揮石英諧振器的特性激勵功率一般以微瓦為單位micro Watt,近幾年石英晶體生產技術大幅提升加上產小型化與低功耗需求的提升已不需要提供過高的驅動功率.
功率偏小對于長期穩定有利,功率稍大對于短期溫度有利.
激勵功率太大:
石英片振動強,振動區域溫度升高,石英片內產生溫度梯度,會使頻率穩定度降低；功率過大時由于機械形變超過彈性限度而引起永久性的晶格位移,使頻率產生永久性的變化,甚至有時會把石英片振壞；功率過大會使等效電阻增加(一般阻抗10~100奧姆),電極與接著材料的接口惡化,Q值下降,電阻溫度特性和頻率溫度特性變得不規則；激勵功率過大容易激起寄生振蕩,同時還會使老化變大.
激勵功率太低:
會使信號雜音比變小而影響短期穩定度,石英晶體諧振器不易起振,影響工作的穩定和可靠性,所以使用者應根據不同的要求嚴格控制激勵功率；更不能為了增大輸出而隨意提高激勵功率.
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