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一. 石英晶体与频率控制

英是由硅原子和氧原子组合而成的二氧化硅(Silicon Dioxide, SiO2),单结晶结构(图一).单结晶的石英晶体结构具有压电效应特性, 当施加压力在晶体某些方向时, 垂直施力的方向就会产生电气电位. 相对的当以一个电场施加在石英晶体某些轴向时, 在另一些方向就会产生变形或振动现象. 了解单结晶石英材料的这种压电效应, 利用其发生共振频率的特性, 发挥其精确程度作为各类型频率信号的参考基准, 就是水晶震荡器的设计与应用. 因为石英晶体具有很高的材料Q值,所以绝大部份的频率控制组件,如共振子及振荡器,都以石英材料为基础. 以石英为基础的频率控制组件可以依其压电振动的属性, 可以分为体波振动组件及表面声波(surface acoustic wave)振动组件. 体波振动组件如石英晶体共振子, 石英晶体滤波器及石英晶体振荡器, 表面波振动组件如表面波滤波器及表面波共振子. 当石英晶体以特定的切割方式, 以机械加工方式予以表面研磨, 完成特定的外型尺寸就是通称的石英芯片(quartz wafer 或 quartz blank). 将这个石英芯片放置在真空还境中, 于表面镀上电极后,再以导电材料固定在金属或是陶瓷基座上, 并加以封装, 就成为一般所谓的石英晶体谐振器(quartz crystal resonator). 利用石英谐振器在共振时的低阻抗特性及波的重迭特性, 用邻近的双电极, 可以做出石英晶体滤波器. 将石英振荡子加上不同的电子振荡线路, 可以做成不同特性的石英振荡器. 例如: 石英频率振荡器(CXO), 电压控制石英晶体振荡器(VCXO), 温度补偿石英晶体振荡器( TCXO), 恒温槽控制石英晶体振荡器(OCXO)等. 相对于体波谐振的是表面声波的谐振. 将石英晶体表面镀以叉状电极(inter-digital-transducer, IDT)方式所产生的表面振荡波, 可以制造出短波长(高频率)谐振的表面声波共振子(SAW Resonator)或表面声波滤波器(SAW Filter).

二. 石英晶体的压电特性

石英材料中的二氧化硅在正常状态下, 其电偶极是互相平衡的电中性. 在(图二左)的二氧化硅是以二维空间的简化图形. 当我们在硅原子上方及氧原子下方分别给予正电场及负电场时, 空间系统为了维持电位平衡, 两个氧原子会相互排斥, 在氧原子下方形成一个感应正电场区域, 同时在硅原子上方产生感应负电场区域. 相反的情况, 当我们在硅原子上方及氧原子下方分别给予负电场及正电场时, 两个氧原子会相互靠近, 氧原子下方产生感应负电场,硅原子上方产生感应正电场. (图二). 然而, 氧原子的水平位置变化时, 邻近的另一个氧原子会相对的产生排斥或吸引的力量, 迫使氧原子回到原来的空间位置. 因此, 电场的力量与原子之间的力量会相互牵动, 电场的改变与水平方向的形变是形成交互作用状态. 这个交互作用会形成一个在石英材料耗能最小的振动状态, 只要由电场持续提供能量, 石英材料就会与电场之间维持一个共振频率. 这个压电效应下氧原子的振幅与电场强度及电场对二氧化硅的向量角度有相对应的关系.在实际的应用上, 电场是由镀在石英芯片上的金属电极产生, 电场与二氧化硅的向量角度则是由石英晶棒的切割角度来决定.

(Fig. 2) Simplified one dimensional piezoelectricity

三. 石英晶体片的切割角度

依据不同的应用领域及工作温度需求, 产生了许多不同的石英切割角度种类. 例如AT-, BT-, CT-, DT-, NT, GT…..等不同的切割板片. 不同的切割方向的板片具有不同的弹性常数张量(elastic constant tensor), 不同的压电常数张量(piezoelectric constant tensor)及不同的介电常数张量(dielectric constant tensor). 这些张量在石英组件的设计及应用上展现了不同的振荡及温度特性. (图三)表现了在Z-plat石英结构上,几种不同方向的石英板片切割方式.

﹝Fig. 3﹞Orientation angle of a Z-plate quartz.

四. 石英晶体的振动模态

经由不同的石英切割角度及不同电极型状的电场效应, 石英芯片展现了各种不同的振动模态. 以经常产生的振动模态可以概分为扰曲模态, 伸缩模态, 面剪切模态和 厚度剪切模态(thickness shear mode). 这几种振动模态以简单的方法在表一中可以看到. 在实际状况中, 石英芯片并不是一定祇有单一种振动模态, 而可能有多种模态同时存在在一个石英芯片的振荡中, 经由适当的设计, 可以压制其它不希望产生的振动模态, 来达到主要振动模态的最佳.

﹝Table 1﹞Vibration Mode and Cut Angle.

五. 石英晶体的频率与温度特性

大部份的石英晶体产品是用于电子线路上的参考频率基准或频率控制组件, 所以频率与工作环境温度的特性是一个很重要的参数, 良好的频率与温度特性也是选用石英做为频率组件的主要因素之一. 经由适当的定义及设计, 石英晶体组件可以很容易的就满足到以百万分之一 (ppm) 单位等级的频率误差范围. 若以离散电路方式将LCR零件组成高频振荡线路, 虽然也可以在小量生产规模达到所需要的参考频率信号误差在ppm或sub-ppm等级要求, 可是这种方式无法满足产业要达到的量产规模. 石英组件的频率对温度特性更是离散振荡线路无法简易达成的. 在(图四) 中提供了数种不同的石英晶体切割角度的频率对温度特性曲线.

  

﹝Fig.4﹞Frequency-temperature characteristics of different cuts.

     在各种不同种类的切割角度方式中, AT角度切割的石英芯片适用在数MHz到数百MHz的频率范围,是石英芯片应用范围最广范及使用数量最多的一种切割方式. 在(图五)中, 从石英晶棒X-轴向的上视图, 可以看到对Z-轴向旋转约35度的AT 方向. 这在大量生产的技术上也是很好的一种作业方式.

 

( Fig.5 ) Orientation of AT plate

      (图六)是以AT切割角度变动在厚度振动模态的频率对温度特性的展开图. 图中以常用的室温摄式25度作为相对零点, AT切割的最大优点是频率对温度变化为一元三次方曲线. 这个特性, 见(图六), 在相当宽广的温度范围下, AT切割的温度曲线的第一阶及第二阶常数为零, 第三阶的常数便决定了频率对温度的变化值.

 

(Fig. 6)  AT - cut frequency-temperature characteristics. 

六. 共振频率

 在技术文献及产品应用上, 石英晶体共振子的共振有三组不同定义及特性的共振频率.

  (1) 串联谐振频率及并联谐振频率 ( fs , fp )
    (series resonance frequency and parallel resonance frequency)
  (2) 谐振频率及反谐振频率 ( fr , fa )
    (resonance frequency and anti-resonance frequency)
  (3) 最大电导频率及最小电导频率 ( fm , fn )
    (maximum admittance frequency minimum admittance frequency).

  这三组频率的导纳(admittance)图, 见(图九)复数坐标

﹝Fig.9﹞ Complex Admittance of Resonators 

      串联偕振频率及并联偕振频率, fs and fp ,是分别由电导(real part of the admittance)最大和阻抗(real part of the electric input impedance)最大时的频率.

      谐振频率及反谐振频率, fr and fa , 分别是当电导等于零(纯电阻特性)的二个频率. 在这个时候, fr 的阻抗为 1 / Rr 而fa 的阻抗为 1/ Ra.

      在评估共振时的等效线路时, 串联谐振频率及并联谐振频率, fs and fp , 是最重要的二个频率参数. 对于串联谐振频率及并联谐振频率( fs and fp )二者的关系:


七.世界前10大石英晶体厂家:

        1.  精工爱普生(SEIKO EPSON)

        2. 日本电波(NDK)

        3. 台湾晶技(TXC)

        4. 京瓷(KED)

        5.  大真空(KDS)

        6. VECTRON

        7. 台湾希华(SIWARD)

        8. 台湾鸿星(HOSONIC)

        9. 日本大河(RIVER)

      10. 日本村田(MURATA)      


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