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,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.當將電壓施加在一個具有壓電特性的固體的表面時,在該股體也可以產(chǎn)生機械變形.

石英晶體諧振器是一個用作頻率標準的電子元件,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.我們一般采用這樣的定義方式:

一個循環(huán)中貯存的能量

Q=———————————

一個循環(huán)中損失的能量

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

為了滿足設(shè)計需求,我們一直通過使用有限元素法對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)計要求.這可以看作是限元法的完整的板的理論的實現(xiàn).

缺點是對于計算機內(nèi)存的較大需求,這一點幾年前很難做到.

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)動的帶有電極的石英晶振結(jié)構(gòu)的機械振動.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(如點化,手機和收音機等)和家用電器中都能找到它們.

一個無源晶振能夠利用不同的機械振動模式(如彎曲,拉伸和厚度剪切等)和它們的高次諧波(泛音)作為它們的獨特的這棟頻率.通常我們所選擇的振動模式是有頻率范圍,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,我們需要用一個晶振結(jié)構(gòu)的物理模型來分析石英晶體諧振器的振動.如果不區(qū)別特定的振動模式,典型的諧振器用以下一個簡單的模型表示:

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,而這些特性一直是我們用各種理論,方法和工具進行分析的對象.進行準確,全面和可靠的分析是這方面研究的目標,因為這將使晶體諧振器的設(shè)計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為不同的切型,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異性材料,這就意味著在方向上的旋轉(zhuǎn)變化將會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)和制作中對材料方向上進行微調(diào)的路論基礎(chǔ).

利用前面所給的物理模型對石英晶體諧振器進行分析的成熟理論在過去的幾十年中已有長足的發(fā)展和改進,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)計的簡單理論和方法.

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.

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

激勵電平效應(yīng)

如果驅(qū)動電平高,諧振器很容易振蕩,但頻率的穩(wěn)定性會被破壞.如果驅(qū)動電平過高,晶體諧振器的表面可能被破壞.如果驅(qū)動電平過低,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)動電平和頻率的穩(wěn)定性在加工和設(shè)計中是一個重要的因素.