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1、专题特写 ： 谐振器 / 振荡器今日电子 2007 年 12 月30高振动石英晶体振荡器Statek 公司 Gregory A .Burnett Farzin Jahed我们通常认为在电子系统中， 石英晶体振荡器是最易碎的元件之一。 这并不奇怪， 因为振荡器里的石英晶体谐振器是由一个很大的结晶体组成的， 就像一个大的圆空 AT-cut 晶体被金属夹固定在一个金属壳里。这种结构不能耐受高出 50 100 g 太多的振动强度。 这类晶体振荡器非常适合大型台式仪器和类似的设备， 但不太适用于对高振动性要求很高的应用领域， 如掌上电脑和军需设备。 在这些设备中，加速度达到千个甚至万个 g 。很明显，
2、一般的晶体结构在此类应用中是不合适的。推动石英晶体和振荡器结构变化的动力来自对电子器件小型化的不断追求。 伴随着照相机平版印刷的发展和加工石英晶体的化学工艺的进步， 小型化在 1970 年迈出了关键的一步。 这种新的处理工艺来自曾用于硅工业的一些技术， 能够精确地磨制出小于 1mm 尺寸的石英 / 晶体， 并能精确到几微米。 在小型化进程中很重要的另一步是将晶体牢牢固定于一个粗糙机架的陶瓷封装技术得到发展。由此， 这种制造与构造工艺成为了石英晶体小型化不成文的标准。“小型化” 与 “好处”幸运的是， 石英晶体振荡器的小型化还带来了额外的好处， 那就是大大提高了它们冲击与振动的耐受性。 因为尺寸
3、小， 谐振器质量较低， 也因此对谐振器的力也较小。 如果使用强安装材料， 谐振器就不会因为加速度太大掉下来， 它会被牢牢固定在本来的位置上。 进一步而言， 由于它的小尺寸 （短空白大小或短音叉齿） 谐振器内的剪力很小， 谐振器能抵抗高振动而不被破坏。小尺寸的另一个附加的好处是， 谐振器的最低弯曲型频率状态可达几千赫兹或更高。 这种情形至少会带来两个好处。第一个， 由于振动到来之前大约 1mm 或更长时间会出现振动， 可作为类似静电噪声的脉冲处理。 在任何指定时段内的振动可大致看做一个固定的加速度， 而这个加速度太小， 所以不能激活晶体的弯曲模式。第二， 这种弯曲型对频率要求非常高， 振动产生的
4、频率通常低于 2kHz ， 所以不会被其所激活。这在剧烈振动应用环境和工业制造板取代刳刨工具时期非常重要。 利用这种现代的制造与构造， 石英晶体谐振器不再是娇嫩易碎的东西。 如今很多的制造商都能提供耐千 g 机械振动力的晶体和振荡器。新的设备特性使苛刻应用中的频率控制更稳固石英晶体谐振和振荡器依然是精频控制的首选（下转第 34 页）专题特写 ： 谐振器 / 振荡器今日电子 2007 年 12 月34好的稳定性是因为石英谐振器具有很高的质量因数 50 000 250 000 。 在某些极其学术的应用中， 石英的质量因数能达到 1000 000 3000 000 。 MEMS 谐振器也有很高的质量
5、因数。 SiTime 公司的产品、 Discera 公司的技术资料和很多学术资料都证明已生产出的 MEMS 谐振器 Q 值大约是 80 000 ， 其最高可超过500 000 。Q 值非常关键是因为它和稳定性成正比。 Q 值定义为谐振器被 -3dB 带宽图 1 未来 MEMS 将被直接集成到 CMOS 中分割的中心频率。 一个 Q 值仅为 100 的谐振器会有一个很宽的质量因数曲线，其误差大约高达 10 000ppm 。 因此， 封装压力和过程中很小的误差都会对谐振器的频率产生影响。频率稳定性， 或说频率 ppm 误差实际上是被限于从谐振峰值测量 -3dB 的频带带宽的 1/2 。 尽管最初进
6、行了仔细的校准， Q 值不到 1000 的谐振器每年的老化误差在几十到几百 ppm 都是可以接受的。 MEMS 谐振器 50000 1% 200000 1% 的 Q值是由设计决定的。 100000 的 Q 值能产出大约10ppm 的产品。不是所有硅振荡器都一样MEMS 振荡器是用纯单晶硅制成的。 不能把 MEMS 振荡器和基于低Q 值的 LC 振荡电路的硅振荡器混为一谈。 大部分基于 LC 振荡电路的硅振荡器的 Q 值很低， 稳定性差。 这类产品提供某种程度的可编程性能， 适合为微处理器和一些对 ppm 要求不高的应用提供计时方案。MEMS 的未来未来， MEMS 将被直接集成到CMOS 中，
7、 如图 1 所示。 这种集成将带来很多好处， 如尺寸更小、 性能更高和生产更简单。 MEMS 方案无可比拟的尺寸优势将使无线节点和多芯片模块尺寸进一步缩小成为可能， 同时还能使 PCB上不再有石英。 SiTime 公司的 EpiSEAL和 MEMS First 工艺就是能够实现与CMOS 集成的实例。最近的工艺发展已允许将先进的0.18 m CMOS 电路和功能齐全的MEMS 成功的集成。 EPC即便如此， 在大多数要求非常严格的应用场合， 普通的晶体和振荡器并不合适， 如军用和导弹电子。 因为这其中的振动能达到几万 g 。要满足这些方面的要求， 光是谐振器的尺寸缩小并不够， 还必须将其按照受
8、剪力最小原则安放。 举个例子， 对高振动 AT-cut 晶体而言， 第三点装配法可用于将晶体空白的无电端设置为晶体包。 用这种方法， 晶体抗振动水平能上升至 100 000g 。 同样地， 用这种晶体结合更先进的结构工艺制造的振荡器也能达到 100 000g 的抗振动性。设计耐强振动系统时， 记住以下几条箴言是非常有用的。 晶体 / 振荡器 （较小包内发现的）中， 小尺寸的比大尺寸的更稳固。 音叉晶体 （通常为 10 600kHz ）比扩展型晶体 （ 520kHz 2.5MHz ） 稳固性更好。 而 AT-cut 晶体 （ 8MHz 以上） 是最稳固的。 对音叉和扩展型晶体而言， 晶体尺寸随频率减小而减小， 稳固性随频率增大而增强 （对某一指定型晶体）。 对 AT 晶体而言， 晶体在 13 50MHz 内是最稳固的， 当处在 16 32MHz 时最佳。 注意对超过千 g 级的振动， 普通的晶体和振荡器是不合适的， 需要采用专为高振动应用环境设计的类型。 如果已知振动是沿单一方向被采用， 合理选择晶体 / 振荡器的方位能大大提高系统稳固性。 除了检验数据表上必要的说明，别忘了问清制造商供应高振动设备的历史。 EPC（上接第 30 页）
