石英晶体谐振器分析和设计基础

王骥：石英晶体谐振器基础FundamentalsofAnalysisandDesignofQuartzCrystalResonatorsVersion2.0宁波大学压电器件实验室王骥©2005-2009石英晶体谐振器分析和设计基础王骥：石英晶体谐振器基础提纲石英晶体谐振器及其应用石英晶体及其性质谐振器构造与工作原理谐振器的设计理论基础谐振器的有限元分析参考文献王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器及其应用提纲王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍石英晶体谐振器王骥：石英晶体谐振器基础谐振器应用实例3压电声波谐振器王骥：石英晶体谐振器基础38生物与化学传感器王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体在消费电子中的应用ConsumerProducts消費電子產品ITProducts資訊產品TelecomProducts通信產品NetworkProducts網路產品王骥：石英晶体谐振器基础Nokia3310GSM手机中所用到的压电器件Nokia3310GSMHandsetHasthefollowingPiezoelectricComponents(照片由林真诚博士提供)手机中所用到的压电器件王骥：石英晶体谐振器基础压电谐振器起源介绍1880年Pierre和JacquesCurie弟兄发现了压电效应。当在绝缘固体上施加压力时，电介质固体的表面间能够产生电压，同时也可能产生很小的电流。一些特定的晶体能够显示压电效应，例如：石英晶体、罗谢尔盐和陶瓷材料。当将电压施加在一个具有压电特性的固体的表面时，在该固体也可以产生机械变形。王骥：石英晶体谐振器基础常见石英晶体谐振器的形状圆形矩形音叉石英晶体谐振器介绍王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体在电子学上的应用军用和航天应用工业应用民用通讯导航敌我识别系统雷达传感器制导系统引信电子战声纳浮标研究和工艺原子钟仪器空间跟踪天体导航通讯电视通讯轻便式、分区式、手提式无线电设备和电话航空与航海导航仪器计算机数字系统阴极射线显示器软盘调制解调器天文学和大地测量标签/标志公用事业传感器手表和钟无线电话家用电话无线电设备和高频设备彩电便携电视系统家用计算机VCR和电视摄象机业余无线电台玩具和游戏机起搏器其他医用设备自动化引擎控制，收音机，钟Trip计算机，GPS王骥：石英晶体谐振器基础提纲石英晶体及其性质王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体石英晶体王骥：石英晶体谐振器基础王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体及其性质石英晶体谐振器是一个用作频率标准的电子元件，它也可以使频率稳定并实现频率的选择和检测。石英晶体谐振器广泛地应用在各类电子系统、设备和仪器中如无线电话、微波通信、广播、电视、卫星和远距离通信、电子表和各类数字化仪器等等。它也能用来作为温度、压力和重力等类型的传感器的核心部件。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体及其性质石英晶体和它的重要特性有:压电材料高度各向异性高的品质因数容易加工供应充足(砂子)良好器件特性(如频温关系等)王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体的压电性能来源于变形在一些界面上产生的异性极化电荷。压电声波谐振器作为频率控制器件利用了逆压电效应，即晶体材料会在交变电流的产生变形，激发晶体板的振动，实现稳定的频率源的目的。压电材料的压电效应在传感器技术中有重要应用。石英晶体及其性质王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体品质因数品质因数Q是很重要的材料特性和器件工作性能指标。我们这样来定义这一定义适用于任何器件和材料，对晶体谐振器而言它是几个最重要的指标之一。一个循环中损失的能量一个循环中储存的能量Q王骥：石英晶体谐振器基础一般来说，谐振器的品质因数Q主要是由其结构来决定的，但石英晶体材料的品质因素也会有影响，必须在制造过程中考虑。石英晶体材料的Q值的红外吸收光谱法是基于5MHz标准谐振器的品质因素与红外吸收光谱的对应关系。红外光谱值a反映了材料的纯净程度。石英晶体及其性质王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体材料的红外光谱检测结果与品质因素的关系是106/Q=0.114+7.47a-0.45a2用于谐振器生产的石英晶体材料包括石英晶体及其性质等级IEC等级红外光谱值材料品质因素特级A0.0333.0X106优秀B0.0452.2X106电子级C0.0601.8X106王骥：石英晶体谐振器基础关于石英晶体材料的主要标准包括IEC60758(2008):Syntheticquartzcrystal–SpecificationsandguidelinesforuseECAEIA-477-A(1990):CulturedQuartz(Inclusionof477-1-A)GB11113(1989):人造石英晶体中杂质的分析方法GB11114(1989):人造石英晶体位错X射线形貌检测方法石英晶体及其性质王骥：石英晶体谐振器基础1.双晶(Twins)是指两个以上的同种晶体，按一定规律相互连生在一起，典型的形式有电双晶(同旋向晶体的连生，道芬双晶)和光双晶(异旋向晶体的连生，巴西双晶)。双晶多出现在天然石英晶体中，但在石英晶片的加工中也会诱发产生双晶。当石英晶片加热温度超过573℃，或虽不超过573℃，但石英晶片内部温度梯度太大，都可能产生电双晶。在晶片研磨时，由于机械应力的作用，也可能产生微小的电双晶。石英晶体的常见缺陷王骥：石英晶体谐振器基础2.包裹体(Inclusions)是混杂在晶体内部的其它矿物质。包裹体是石英晶体的一种主要缺陷，它对石英谐振器的电气性能影响极大。包裹体密度大小是一个材料分级的重要指标，反映了材料的纯度，对谐振器性能有较大的影响。3.蓝针(Blueneedles)：在石英晶体中呈蓝色针状的缺陷称为蓝针。石英晶体的常见缺陷王骥：石英晶体谐振器基础4.裂隙(Etchchannels)：指存在晶体内部的小裂隙,通常按照单位面积的数量来测量,是石英晶体质量分级的重要指标.5.棉(Filaments)：晶体内部集中出现的许多微小气泡和小裂缝，呈现白色如棉花状，这种缺陷俗称为棉。石英晶体的常见缺陷王骥：石英晶体谐振器基础自从在1920年石英晶体被选择作为石英振荡器的材料后，许多研究者一直都在寻找一种比石英还好的材料。许多材料看起来很有希望，如块磷铝矿、焦硼酸锂和磷化镓，但是都无法与石英相比。硅酸锰锑铁矿(La3Ga5SiO14,LGS)，LGN(La3Ga5.5Nb0.5O14)，LGT(La3Ga5.5Ta0.5O14)等统称LGX族，看起来有很大的希望。LGT谐振器的Q值与频率的乘积是石英晶体的两倍。这些材料可能改进特性的如下：1.相对于石英，声衰减更低（比AT切或ST切石英的Q值高）。2.没有相变（熔点大约为1400℃，石英的相移温度573℃）。3.机电耦合性能高于石英。这可以得到更高的泛音；在高泛音下可能降低滞后；使VCXO的可调能力更强；在滤波器应用中，得到宽带宽，低阻抗和高频工作能力。4.相同频率下比石英厚。这使其同一加速度下，变形小，因此可能降低加速度灵敏度。5.改善温度补偿。石英晶体及其性质王骥：石英晶体谐振器基础王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍天然石英yzx王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍人造石英zyx王骥：石英晶体谐振器基础提纲谐振器构造与工作原理王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍石英晶体谐振器利用压电效应来提供稳定的参考频率。它的频率源于交流电压驱动的带有电极的石英晶体结构的机械振动。它是应用最广泛的频率控制产品之一，你能够在常见的通讯装置(如电话、手机和收音机等)和家用电器中都能找到它们。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍一个石英晶体谐振器能够利用不同的机械振动模式(如弯曲、拉伸和厚度剪切等)和它们的高次谐波(泛音)作为它们的独特的振动频率。通常我们所选择的振动模式是由频率范围、频率稳定性、谐振器尺寸大小、品质因数和其他的因素来决定的。王骥：石英晶体谐振器基础王骥：石英晶体谐振器基础由于石英晶体谐振器的性能是由晶体板的高频振动来决定的，在石英晶体谐振器的设计中考虑的主要参数包括几何尺寸(厚度、长、宽、尺寸变化/倒边)电极材料与尺寸安装形式与尺寸石英晶体谐振器介绍王骥：石英晶体谐振器基础影响石英晶体谐振器的其它因素石英晶体谐振器介绍石英晶片表面电极加工方式与质量封装形式泛音次数表面抛光材料的杂质和缺陷安装应力焊接应力温度电极几何形状和类型片子的几何形状（外形、尺寸比）激励电平外壳中的气体（压力、气体种类）干扰模离子辐射王骥：石英晶体谐振器基础谐振器频率与时间的决定因素主要因素次要因素切角泛音晶片尺寸（外形、尺寸比）材料杂质和应变安装和焊接应力（大小和方向）电极（尺寸、形状、厚度、密度、应力）激励电平干扰模负载电抗（大小和温度系数）温度和时间的关系电离辐射王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍一般来说，我们需要用一个谐振器结构的物理模型来分析石英晶体谐振器的振动。如果不区别特定的振动模式，典型的谐振器用如下一个简单的模型表示。晶体电极驱动电压王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍在石英晶体谐振器的诸多特性中，一些特性直接关系到石英晶体谐振器的设计，而这些特性一直是我们用各种理论、方法和工具进行分析的对象。进行准确、全面和可靠的分析是这方面研究的目标，因为这将使晶体谐振器的设计过程更加具有灵活性和成熟。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍我们想要通过一个理想化的分析和设计过程来考虑石英晶体谐振器的下述特性：频率—温度特性虽然谐振器结构的振动送频率是稳定的，但是它会因温度的变化而产生轻微的改变。也就是说，石英晶体谐振器有这样的特性：频率随着温度的变化而变化。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍谐振和抗负载性在确定的条件下，石英晶体谐振器的电气特性应对应于谐振频率。对于晶体谐振器作为电子器件来说，这是基本的也是重要的特性。静态和动态电容在电路中，在谐振频率驱动时电压为直流和交流时的电容。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍电感在电路中，这是一个很重要的谐振电路参数。激励电平效应如果驱动电平高，谐振器很容易振荡，但频率的稳定性会被破坏。如果驱动电平过高，晶体谐振器的表面还可能被破坏。如果驱动电平过低，频率瞬间的反应将要变弱或者谐振器不能够起振，因此驱动电平和频率的稳定性在加工和设计中是一个重要的指标。王骥：石英晶体谐振器基础常见问题寄生模态(Spuriousmodes)：一般指工作模态以外的所有振动模态。活性下降(Activitydip):表现为电阻或频率突然发生变化,一般会很快恢复原来的工作状态。通常认为是由于振动跳跃到寄生模态造成的。石英晶体谐振器介绍王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍石英晶体优异的频率温度关系虽然能够提供稳定的频率输出，但这仅仅局限于特定的晶体方向。通常我们称这些特殊的方向为不同的切型，意味着可以通过晶体轴的旋转获得这些方向和以一种特别的方式来切割晶体。我们熟悉的切型有AT，SC和ST等。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍图示一个典型的旋转Y切XYZOqfX’王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍通过前面的图形，我们获得了用于器件制造的旋转切割和双旋转切割。下面是典型切型的旋转角。AT-切q=35.25oSC-切q=33.93o,f=21.93o对于谐振器应用而言，我们仍然在努力寻求更好的切型以便获得好的频率温度特性。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍AT和BT切型RyAT切35度15分BT切49度0分王骥：石英晶体谐振器基础提纲谐振器的设计理论基础王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍石英晶体是一种各向异性材料，这就意味着在方向上的旋转变化将会在材料性能方面引起相应的变化，如弹性常数、介电常数等和决定器件振动频率和电路参数的压电常数。这是在产品研发和制造中对材料切型方向上进行微调的理论基础。王骥：石英晶体谐振器基础石英晶体谐振器介绍利用前