石英晶體諧振器的發(fā)展

1883年Pierre curie兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng).擋在絕緣固體上施加壓力時(shí),電介質(zhì)固體的表面件能夠產(chǎn)生電壓,同事也可能產(chǎn)生一個(gè)很小的電流.一些特定的晶體能夠顯示壓電效應(yīng),例如石英,羅謝爾鹽,陶瓷材料.當(dāng)將電壓施加在一個(gè)具有壓電特性的固體的表面時(shí),在該股體也可以產(chǎn)生機(jī)械變形.

石英晶體諧振器是一個(gè)用作頻率標(biāo)準(zhǔn)的電子元件,它也可以使頻率穩(wěn)定并具有選擇性.石英晶體諧振器廣泛的應(yīng)用在各種各樣的電子系統(tǒng),設(shè)備和儀器中如無線電話,微波通訊,廣播,電視,衛(wèi)星和遠(yuǎn)距離通訊,電子表和各類數(shù)字化儀器等等.它也能用來作為溫度,壓力和中立等類型的傳感器.

品質(zhì)因數(shù)Q是很重要的材料特性和器件工作性能指標(biāo).我們一般采用這樣的定義方式:

一個(gè)循環(huán)中貯存的能量

Q=———————————

一個(gè)循環(huán)中損失的能量

此定義適用于任何一個(gè)器件和材料,在晶體諧振器的性能中這是幾個(gè)最重要的指標(biāo)之一.

為了滿足設(shè)計(jì)需求,我們一直通過使用有限元素法對(duì)位移和頻率范圍做精確的分析并考慮像壓電效應(yīng)這樣的復(fù)雜因素.這一方法已經(jīng)在一些主要的石英晶體諧振器制造廠家應(yīng)用.

晶振的頻率溫度關(guān)系也能通過考慮熱效應(yīng)的板理論和有限元素法來分析.在推行這一技術(shù)上沒有困難,結(jié)果能夠滿足設(shè)計(jì)要求.這可以看作是限元法的完整的板的理論的實(shí)現(xiàn).

缺點(diǎn)是對(duì)于計(jì)算機(jī)內(nèi)存的較大需求,這一點(diǎn)幾年前很難做到.

石英晶體諧振器利用壓電效應(yīng)來提供穩(wěn)定的參考頻率.它的頻率源于交流電壓驅(qū)動(dòng)的帶有電極的石英晶振結(jié)構(gòu)的機(jī)械振動(dòng).它是應(yīng)用最廣泛的頻率控制產(chǎn)品之一,你能夠在廠家愛你的通訊裝置(如點(diǎn)化,手機(jī)和收音機(jī)等)和家用電器中都能找到它們.

一個(gè)無源晶振能夠利用不同的機(jī)械振動(dòng)模式(如彎曲,拉伸和厚度剪切等)和它們的高次諧波(泛音)作為它們的獨(dú)特的這棟頻率.通常我們所選擇的振動(dòng)模式是有頻率范圍,頻率穩(wěn)定性,諧振器尺寸大小,品質(zhì)因數(shù)和其他的因素來決定的.

一般來說,我們需要用一個(gè)晶振結(jié)構(gòu)的物理模型來分析石英晶體諧振器的振動(dòng).如果不區(qū)別特定的振動(dòng)模式,典型的諧振器用以下一個(gè)簡(jiǎn)單的模型表示:

在石英晶體諧振器的諸多特性中,一些特性直接關(guān)系到石英晶體諧振器的設(shè)計(jì),而這些特性一直是我們用各種理論,方法和工具進(jìn)行分析的對(duì)象.進(jìn)行準(zhǔn)確,全面和可靠的分析是這方面研究的目標(biāo),因?yàn)檫@將使晶體諧振器的設(shè)計(jì)過程更加具有靈活性和成熟性.

石英晶體諧振器介紹

石英晶體的重要特性:壓電材料;高度各向異性;高的品質(zhì)因數(shù);容易加工;供應(yīng)充足;和其他的好的器件應(yīng)用特性(切型擁有良好的頻溫關(guān)系等)

貼片晶體優(yōu)異的頻率溫度關(guān)系雖然能夠提供穩(wěn)定的頻率輸出,但這僅僅局限于特定的晶體方向.通常我們稱這種特殊的方向?yàn)椴煌那行?/span>,意味著可以通過晶體軸的旋轉(zhuǎn)獲得這些方向和以一種特別的方式來切割晶體.我們熟悉的切型有AT,SC和ST等.

AT-切θ=35.25°

SC-切θ=33.92°,φ=21.93°

對(duì)于諧振器應(yīng)用而言,我們?nèi)匀辉谂で蟾玫那行鸵员惬@得更好的頻率溫度特性.

石英晶體是一種各項(xiàng)異性材料,這就意味著在方向上的旋轉(zhuǎn)變化將會(huì)在材料性能方面引起相應(yīng)的變化,如彈性常數(shù),介電常數(shù)等和決定器件振動(dòng)頻率和電路參數(shù)的壓電常數(shù).這是在產(chǎn)品研發(fā)和制作中對(duì)材料方向上進(jìn)行微調(diào)的路論基礎(chǔ).

利用前面所給的物理模型對(duì)石英晶體諧振器進(jìn)行分析的成熟理論在過去的幾十年中已有長(zhǎng)足的發(fā)展和改進(jìn),但這方面的努力一直唯有停頓過.我們?nèi)匀辉趯で罂梢灾苯佑糜谥C振器設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單理論和方法.

基于壓電板理論的CAD技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)可以用于諧振器設(shè)計(jì).

我們想要通過一個(gè)理想化的分析和設(shè)計(jì)過程來考慮石英晶體諧振器的以下特性:

激勵(lì)電平效應(yīng)

如果驅(qū)動(dòng)電平高,諧振器很容易振蕩,但頻率的穩(wěn)定性會(huì)被破壞.如果驅(qū)動(dòng)電平過高,晶體諧振器的表面可能被破壞.如果驅(qū)動(dòng)電平過低,頻率瞬間的反應(yīng)將要變?nèi)趸蛘咧C振器不能夠諧振,因此驅(qū)動(dòng)電平和頻率的穩(wěn)定性在加工和設(shè)計(jì)中是一個(gè)重要的因素.

頻率——溫度特性

雖然諧振器的頻率是穩(wěn)定的,但是它會(huì)因?yàn)闇囟鹊淖兓a(chǎn)生輕微的影響.也就是說,石英晶體諧振器有這樣的特性:頻率隨著溫度的變化而變化.頻率溫度特性表現(xiàn)于頻穩(wěn)耐性(公差)和穩(wěn)定性.

電感

在電路中,這是一個(gè)很重要的諧振電參數(shù).

諧振和抗負(fù)載性

在確定的條件下,石英晶體諧振器的電氣特性應(yīng)處于諧振頻率.對(duì)于晶體諧振器作為電氣裝置來說這些是基本的特性.

靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電容

在一個(gè)電路中,在諧振頻率時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓為直流和交流時(shí)的電容.