石英谐振器的原理与应用

杭州鸿星电子有限公司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、转载品技处编第1页总1页目录一、石英谐振器概述二、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2．9石英谐振器的常用测量方法2．10石英晶片的制造流程2．11石英晶体谐振器的制造流程三、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、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、4Rf值选取4、5Rd的选取4、6其它注意事项五、石英产品的性赖性试验六、失效原因分析七、今后发展方向杭州鸿星电子有限公司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、转载品技处编第2页总2页一、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/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4025，3225，2520，2016，已能够适应安装于更小型、微型的产品中去。二、石英谐振器的工作原理：2．1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。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）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-36.4×10-6/℃，硬度是杭州鸿星电子有限公司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7.8×10-6/℃，垂直于Z轴的线胀导数为14.3×10-6/℃；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。由于石英晶体在不同的温度范围内有不同的特性，在573℃以下称为α石英，它具有压电效应，通常所说的石英晶体就是指α石英，α石英的相变点为573℃。在573～880℃之间称为β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0.5×10-6；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。2．2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2．3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2．4石英片的基本振动模式（常见）（A）伸缩振动杭州鸿星电子有限公司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0°X、+5°X和-18.5°X，其振动频率方程式为：式中：L石英片的长度ρ石英晶体的密度S＇22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，S＇22用S＇11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。厚度剪切振动石英片的频率方程式为：杭州鸿星电子有限公司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、转载品技处编第5页总5页上式中：C‘66弹性刚度常数ρ石英密度KfAT切频率常数n泛音次数2．5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。Dipxtal构造示意SMD石英谐振器的构造示意2．6石英谐振器的组成和特性石英谐振器由石英片，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*Kff*n式中：Kf：与石英片外形尺寸有关的频率常数：AT-Cut时，Kf=1670f：频率KHzt：厚度m/mn：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，能有效地抑制寄生，当表面形成氧化层后很稳定，铝附着石英片的强度也比金和银更好。电极膜的厚度和面积大小直接同石英谐振器的并联电容C0，等效电阻R1及寄生抑制有关，设计时均应根据使用要求作全面考虑。E）封装封装也是石英谐振器制造中的很重要的工艺，要求密封性好，牢固可靠，不污染振动，体积尽可能小，成本低。目前封装形式有：玻壳封，金属壳封，陶瓷封，塑料封，胶木封装等腔体；充填物有N2或真空。电阻焊和SEAM焊，特别是真空SEAM焊对于产品的老化特性的改善是比较有利的。同时等效电阻会比较更好，特别适合于小尺寸的石英谐振器的制造。F）等效参数：AT切石英谐振器的等效参数的计算；L1=2.013n3Aefn3C1=14πfnL1C0=0.402Aet式中Ae有效电极面积（cm2）Fn泛音频率（MHz）n泛音次数T石英片的厚度（cm）L1动态电感（H）C1动态电容(fF)C0并联电容（pF）2．7石英谐振器的稳频条件及应用须知：石英谐振器的稳频条件，主要有负载电容、激励电容、频率温度特性三个因素决定。1）负载电容与频率稳定度的关系：石英谐振器一般作为电感元件在振荡电路中起稳频作用，而电路的其它元件均可等效为一个负载电容与石英谐振器想串联或并联。负载电容的大小将对石英谐振器的等效参数及频率稳定度带来影响。不考虑CL时的等效电路：杭州鸿星电子有限公司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、转载品技处编第8页总8页考虑CL时的等效电路：根据石英谐振器等效电路可知，在不接负载电容CL时：串联谐振频率：并联谐振频率：当接入负载电容CL时：等效串联电阻：等效串联电感：等效串联电容：等效串联静电容：接入负载电容CL后，串联谐振频率就要偏离石英谐振器的谐振频率fs，其偏离量为：2）激励电流和频率稳定度的关系：式中：D：频率电流系数I：石英谐振器的激励电流杭州鸿星电子有限公司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、转载品技处编第9页总9页2．8石英谐振器的常用电参数的符号和意义：Fs串联谐振频率。Fs=1/2π(L1C1)1/2FL指定负载CL时的谐振频率。Fr谐振频率（Xe=0时的频率）DFL计算两计算负载频率之间的频差。ΔFL:(forCL1toCL2)；Δf(ppm)=（C1/2）*{[1/(C0+CL1)]-[1/(C0+CL2)]}CL特定负载谐振频率时的负载电容(pf)。CO静电容（pF）。C1动态电容（fF）。L1动态电感。(mH)RR动态电阻。OhmQ品质因数。Q=2πfL1/R1TS指定负载CL时测试的频率因负载电容变化而引起的牵引能力。(ppm/pf)；Ts:Δf(ppm/pF)=-C1/(2*(C0+CL)2)PWR激励功率。(uW)CO/1静电容与动态电容之比。2．9石英谐振器的常用测量方法：石英谐振器常用的测量有：阻抗计法，