石英谐振器的原理与应用

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1、杭州鸿星电子有限公司杭州鸿星电子有限公司 石英谐振器原理及应用石英谐振器原理及应用 本文件属杭州鸿星电子有限公司所有，未经允许，不得复印、转载 品技处品技处 编编 第 1 页 总 1 页 目录目录 一、一、 石英谐振器概述石英谐振器概述 二、 石英谐振器的工作原理石英谐振器的工作原理 2、1 石英晶体材料 2、2 石英晶体的压电效应 2、3 石英晶体的切型 2、4 石英片的基本振动模式（常见） 2、5 各种切型的频率温度特性 2、6 石英谐振器的组成和特性 2、7 石英谐振器的稳频条件及应用须知 2、8 石英谐振器的常用电参数的符号和意义 29 石英谐振器的常用测量方法 210 石英晶片的制造

2、流程 211 石英晶体谐振器的制造流程 三、三、 选择石英谐振器应考虑的问题选择石英谐振器应考虑的问题 3、1 频率的选择 3、2 使用环境条件的考虑 3、3 根据用途合理选用石英谐振器 3、4 正确选择负载电容 3、5 激励电平的选择和控制 3、6 使用石英谐振器应注意的事项 四、四、 石英振荡电路的应用石英振荡电路的应用 4、1 石英振荡电路的组成 4、2 振荡电路的 Cg/Cd 的选择要点和相关外围元件的注意事项 4、3 根据选定的 Cg/Cd 值计算 XTAL 的负载电容 CL 值。 4、4 Rf 值选取 4、5 Rd 的选取 4、6 其它注意事项 五、五、 石英产品的性赖性试验石英产

3、品的性赖性试验 六、六、 失效原因分析失效原因分析 七、七、 今后发展方向今后发展方向 杭州鸿星电子有限公司杭州鸿星电子有限公司 石英谐振器原理及应用石英谐振器原理及应用 本文件属杭州鸿星电子有限公司所有，未经允许，不得复印、转载 品技处品技处 编编 第 2 页 总 2 页 一、一、概述概述: 压电效应是一八八零年由法国物理学家居里兄弟（皮埃尔居里和杰克居里）发现的。早 期一战利用石英的压力效应制成强力超声波辐射器。 二战时期利用石英晶体具有稳定的物理和 化学性能，制成的元器件在稳频方面比其它元件显出突出的优越性，而广泛使用于通讯领域。 石英谐振器的稳频特性也不断提高，二战时可在 10- 6/

4、周，19 世纪 50 年代初 10- 8/周，19 世纪 50 年代末已可达 10- 9/周10- 10/周。 随着通信发展和制造技术的发展，石英谐振器的频率范围也逐渐向上发展从 100KHZ 10MHZ，以后发展到数百 MHz，3RD发展到 1G 以上，5th发展到 2GHz 以上。 石英谐振器的使用范围也从军事领域发展民用各使用频标或时标领域如：电子表，电子 玩具，彩电，收发讯机，家用电器，PC 机等各领域。 石英谐振器的产品体积也不断地缩小，从传统的大尺寸发展到 J1，49U，49S；直到近年 来发展 SMD 表面贴装，尺寸进一步缩小，从 7050，6035，5032，发展到 4025，

5、3225，2520， 2016，已能够适应安装于更小型、微型的产品中去。 二、二、石英谐振器的工作原理：石英谐振器的工作原理： 21 石英晶体材料 石英是人造的二氧化硅（SiO2 ）结晶体，因其形态晶莹透明如水，所以也称“水晶” 。由于天然水晶矿藏稀少，且常见的疵病较多，如：裂痕，气泡，包裹体，蓝针，双晶等。而制造 石英谐振器的材料必须保证内部没有缺陷， 否则会严重影响石英谐振器的性能。 在人工合成水 晶工业生产成功后，大部分石英谐振器都用人造水晶制造，从而降低成本，满足电子发展的需 要。 （A） 石英晶体的晶面和轴向 一个理想的石英晶体的外 形， 中间是个六面棱柱体， 二端 为两个六面棱锥体

6、。 石英晶体有 六个柱面（M 面） ，六个大柱面 （R 面） ，六个小棱面（r 面） ， 六个 X 面和六个 S 面，总共有 30 个晶面。 石英晶体分左旋和右旋， 互称镜面对称，左右旋石英在物理上也呈镜象对称关系。 晶体按其结构对称，可分为七大晶系和 32 种对称类型（也称晶群） ，其中有十二类因其 对称程度太高而无压电效应，另外二十类具有压电效应。石英晶体属于三角晶系 32 点群。 石英晶体的轴向，按其物理特性把 X 轴称为电轴，因为该方向具有压电效应；把 Y 轴称 为机械轴，因为在 Y 轴方向只产生形变而无压电效应；把 Z 轴称为光轴，因为光线沿 Z 轴方 向不产生双折射现象。 （B）

7、石英晶体的物理化学特性 石英晶体是各向异性结构晶体，轴向不同，物理化学性质也不同。石英晶体的主要物理 特性，当温度为 20时，它的密度为 2.65g/cm3，一级密度温度系数为- 36.410- 6/，硬度是杭州鸿星电子有限公司杭州鸿星电子有限公司 石英谐振器原理及应用石英谐振器原理及应用 本文件属杭州鸿星电子有限公司所有，未经允许，不得复印、转载 品技处品技处 编编 第 3 页 总 3 页 莫氏硬度 7 级，平行于 Z 轴的线胀导数为 7.810- 6/，垂直于 Z 轴的线胀导数为 14.310- 6/ ；平行于 Z 轴的介电常数为 4.6，垂直于 Z 轴的介电常数为 4.5。 由于石英晶体

8、在不同的温度范围内有不同的特性，在 573以下称为石英，它具有压电 效应，通常所说的石英晶体就是指石英，石英的相变点为 573。在 573880之间称 为石英；但在制造和使用中应避免超过 573。高于 1710石英熔解成液体，该温度 1710 就是石英晶体的熔点温度，结晶石英熔解后再冷却变成均质熔融石英，其反应是不可逆的， 熔融石英的线膨胀系数很小，约为 0.510- 6；密度 降为 2.2g/ cm3。 石英晶体具有很强的抗腐性，只溶于氢氟酸， 因此它的化学性能很稳定。 22 石英晶体的压电效应 石英晶体在压力作用下产生形变，同时产生电 极化。其极化强度与压力成正比。这种现象就称“正 压电效

9、应” 。反之，在电场作用下，晶体产生形变， 其形变大小与电场强度成正比， 这种现象称 “逆压电 效应” 。在二十类具有压力效应的晶体中，石英晶体 是无线电通讯设备中最为满意的材料之一。 它的机械 强度高，物理化学性能稳定，内损耗低等，用它制成 的器件被广泛用在频率控制和频率选择电路中。 附图：石英晶体的压电效应 23 石英晶体的切型 由于石英片的取向不同，其压电特性、弹性特 性和强度特性就不同， 用它来制造的谐振器的性能 也不一样，经过前辈的大量研究，已发现了几十种 有用的切割方式。 切型的习惯表示方法：AT，BT，CT，DT，ET，FC，SC，LC 等。 Z 板水晶和各种切型 24 石英片的

10、基本振动模式（常见） （A） 伸缩振动 杭州鸿星电子有限公司杭州鸿星电子有限公司 石英谐振器原理及应用石英谐振器原理及应用 本文件属杭州鸿星电子有限公司所有，未经允许，不得复印、转载 品技处品技处 编编 第 4 页 总 4 页 伸缩振动是应用最早和最基本的一种振动模式。 如图： 它是作用于石英片两主表面上的交变电场来激励，质点位移方向和波的传播方向平行， 形成纵波，所以也称纵振动。对于基频伸缩振动，其位移从中心节点开始以正弦形式变化，两 端是波腹。伸缩振动可以分为长度伸缩振动、宽度和厚度伸缩振动。厚度伸缩振动适用高频范 围，长度伸缩振动适用中、低频范围。 长度伸缩振动常用的切型 0X、+5X

11、和-18.5X，其振动频率方程式为： 式中：L 石英片的长度 石英晶体的密度 S22 波传播方向的弹性柔顺常数 n 泛音次数，取整数 Kf 频率常数 对于厚度伸缩振动，上式中的 L 用厚度 t 代替，S22 用 S11代替即可。 （B） 厚度剪切振动： 厚度剪切振动石英片， 上表面和下表面沿相反方向 平面移动，面上各点的位移是相等的，对于基波振动， 波节面通过石英片中心，并与主平面平行；对于泛音振 动，就有与泛音次数相同的波节面数。 厚度剪切振动常用的切型有 AT 和 BT，其中 AT 切 型使用最多，使用频率范围最宽。在短稳特性、开机特 性和高温应用特性等方面表现出一定的优越性。 厚度剪切振

12、动石英片的频率方程式为： 杭州鸿星电子有限公司杭州鸿星电子有限公司 石英谐振器原理及应用石英谐振器原理及应用 本文件属杭州鸿星电子有限公司所有，未经允许，不得复印、转载 品技处品技处 编编 第 5 页 总 5 页 上式中： C66 弹性刚度常数 石英密度 Kf AT 切频率常数 n 泛音次数 25 各种切型的频率温度特性： 由上节可知，频率是密度、弹性常数和石英片尺寸的函数，所以频率随温度的变化规律也是密 度、弹性常数和石英片尺寸随温度变化规律的综合。 下图给出常用切型的典型频率温度特性曲线。 Dip xtal 构造示意 SMD 石英谐振器的构造示意 26 石英谐振器的组成和特性 石英谐振器由

13、石英片，电极，支架（基座）或称 PKG，上盖（LID）等组成，其关键部 分是石英片。石英片是弹性体，它有固有频率。石英片是压电体，谐振时，振动幅度最大，阻抗 最小；失谐时，阻抗迅速加大。 在谐振频率附近时，石英谐振器可等效为 LCR 的网络。如下图： 杭州鸿星电子有限公司杭州鸿星电子有限公司 石英谐振器原理及应用石英谐振器原理及应用 本文件属杭州鸿星电子有限公司所有，未经允许，不得复印、转载 品技处品技处 编编 第 6 页 总 6 页 A） 石英片的外形设计： 石英片的外形有圆片、长方形和正方形，修整外形有双凸、平凸、平斜和平面 4 种。有很 多尺寸，分别安装在不同类型和不同的外壳中。石英片之

14、所以修整成各种不同的外形，主要是 为了抑制副振动模式对主振动模式的耦合干扰， 改善频率温度特性和电阻温度特性， 同时球面 或平斜磨边的目的是使振动能量更加集于中心， 减少边缘效应和降低支架损耗， 因而使等效电 阻减小，Q 值提高。 B） 石英片厚度的设计： 由下式计算： t = n* Kf f *n 式中：Kf：与石英片外形尺寸有关的频率常数： AT- Cut 时，Kf=1670 f ：频率 KHz t ：厚度 m/m n：泛音次数 C） 频率温度特性与切割角度的关系见右图： AT 切晶体元件频率允许偏差/温度范围的难度情况 杭州鸿星电子有限公司杭州鸿星电子有限公司 石英谐振器原理及应用石英谐振器原理及应用 本文件属杭州鸿星电子有限公司所有，未经允许，不得复印、转载 品技处品技处 编编 第 7 页 总 7 页 D） 电极设计 电极的作用是为了在石英片上施加电场； 用作电极的金属材料有金、银、铝、铜、镍、铬等，而广泛使用金、银、铝。金的物理化学 性能稳定，纯度高，用于高精密和中精密石英谐振器的制造，其初始老化时间短，长期老化特性也 好；唯成本高。银的物理化学稳定性能比金稍差，用于高频和低频石英谐振器的制造。铝密度小质 量轻，适用于高频和超高频石英谐振器的制造，能有