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【晶振知识】石英晶体的切型

时间:2017-09-22   浏览量:1629

前面我们知道了人工石英晶体的制造过程,接下来,我们来了解下石英晶体的切型。

石英晶体是一种重要的电子材料,从一块整体的石英晶体上按一定方向切割出石英晶片,然后制成特性、用途均不相同的电子元件,并且随着电子技术的发展,对精密石英晶体元件的老化率、短期稳定度、抗振动、耐冲击和耐辐射等提出了更高的要求。按照一定方位从晶体上切割下来的石英晶片,具有一定的几何形状和尺寸,其外形有薄方片,薄圆片,棒状,音叉状等,石英晶片有的两个主面均为平面,有一个主面为平面,另一主面为凸面,有的两主面均为凸面。

所谓切型,就是对晶体座标轴某种取向的切割。石英晶片的切型有很多种,不同的切型其物理性质不同,切面的方向与X、Y、Z轴成什么角度关系是极其重要的。例如,AT切型和CT切型的石英片,都是围绕X轴旋转一个角度,两种切型仅差3°,但其特性和用途大不相同,AT型用于短波段,CT切型则用于长波段。(注:切角用TRE标准符号表示为(yxl)φ1)

切型.png
常见的石英晶片切型

厚度切变石英晶体元件频率适用范围为500KHz-350MHz以上,它是四种振动模式中,频率最高、频率范围最宽的一种振动模式,常用切型为AT切和BT切两种。AT切型石英晶体元件具有频率范围宽、压电活力高、在宽温范围(-55℃- +85℃)内的频率温度特性好,晶片加工方便等优点,AT切是目前应用最广泛的切型。AT切石英晶片可用来制作高频和超高频的谐振器,所以目前大多数的石英晶体谐振器均采用AT切型。

接下来,我们就来了解下石英晶体的AT切型。

AT切型石英晶体元件


AT切型在石英晶体中的方位如下图所示。晶片的长度方向与X轴平行,厚度方向与Y轴平行。

AT切型方位图.jpg
AT切型方位图

AT切的振动模式有两种激励方法:

1、垂直场激励:在Y′方向的电场E′2作用下,通过压电常数e′26和弹性刚度常数c′66,在Z′面上产生厚度切变振动; 

2、平行场激励:在Y′方向的电场E′3作用下,通过压电常数e′36和弹性刚度常数c′66,在Z′面上产生厚度切变振动。

由于垂直场的设置比平行场的设置方便的多,所以生产上通常采用垂直场的激励方法。

在厚度远小于长度和宽度的情况下,厚度切变振动的频率方程为:

公式1.png(1)

式中:t为晶片厚度,n为厚度切变泛音次数,c′为弹性刚度系数,p为石英晶体的密度=2.65g/cm³。

频率常数为:

公式2.png(2)

谐振频率与频率常数之间的关系为:

公式3.png(3)

还要指出的是:

1、式1-式3是在厚度远小于长度和宽度的情况下得到的。具体地说,就是要满足l/t》20,w/l》20或Φ/t》60(Φ为圆片直径)的条件下,这些公式才能给出较准确的结果。

2、式1表明,厚度切变的泛音频率等于基频频率的奇数倍,但由于其他条件的影响,泛音频率只是接近基频频率的奇数倍。例如:基频为ƒ1=1.064091MHz的石英片,5次泛音ƒ5=4.998122MHz;基频频率为ƒ1=19.997280MHz,3次泛音ƒ3=60.0005MHz。

3、如果l/t》20,w/l》20或Φ/t》60(Φ为圆片直径)的条件不满足,就应计入长、宽方向的影响。在此情况下,石英片的振动比较复杂,它的频率方程可表示为:

公式4.png(4)

式中:n为沿厚度方向的泛音次数,m为沿长度方向的泛音次数,p为沿宽度方向的泛音次数,k1、k2为试验确定的修正系数。

当m=p=1,n=1,3,5...时,相应的频率为基频ƒ111、3次泛音频率ƒ311,5次泛音频率ƒ511...这些频率称为主谐频率。当m、p等于其它整数时,相应地频率如ƒ112,ƒ121,ƒ131,ƒ331...这些频率称为非谐频率。在一般条件下,采用减小电极面积的方法,可抑制非谐振动。如果电极大小和外形尺寸选择不当,就可能出现较强的非谐振动。这是在设计晶体元件时应重视的问题之一。

当m=p=1时,频率方程式4或简化为:

公式5.png(5)

相应的频率常数为:

公式6.png(6)

公式6表明,频率常数不仅与切角φ有关,也与边比t/l有关。因为AT切的变化范围很小,基本保持在φ=30°附近,所以只考虑频率常数随边比的变化。如下图:矩形片Kƒ随l/t有变化关系曲线图、圆片Kƒ随Φ/t的变化关系曲线图;从图中可看出,只有当l/t》20或Φ/t》60时,频率常数才接近1660KHz·mm。此外,频率常数还与晶片外形(如平凸、双凹)有关。

未标题-1.jpg
AT切与矩形、圆形片频率常数的关系

AT切型石英晶体元件的频率温度特性


AT切型的频率温度特性的归一化曲线,如下图所示:

AT切型石英晶体元件的频率温度特性.jpg

从图中可以看出,AT切型的频率温度特性曲线为三次曲线。三次曲线有一个特殊点,称为拐点(图中Tinƒ点)。在拐点上的二阶微商〔а²f/аT²〕²=0,此外在曲线上还可能有二个极点,即极大值点Tm(又叫向下翻转点),和极小值点Tn(又叫向上翻转点)。在极点上的一阶微商〔аf/аT〕Tm=0,〔аf/аT〕Tn=0。如果在三次曲线上只有一个拐点而无极点,则在拐点上还有一阶微商〔аf/аT〕Tinƒ=0;如果除了拐点外还有二个极点,则在拐点上有一阶微商〔аf/аT〕Tinƒ≠0。

上图中,曲线B只有一个拐点Tinƒ而无极点,因此在拐点的一极和二极温度系数a0=b0=0。若选拐点温度为参考温度,则曲线B的频率温度特性方程为:

微信截图_20170914100558.jpg

曲线A有一个拐点Tinƒ和两个极点Tm和Tn,因此拐点的二极温度系数b0=0,一极温度系数a0≠0。若选拐点温度为参考温度,则曲线A的频率温度特性方程为:

22.jpg

若以极点温度为参考温度,则因在极点的一级温度系数a0=0,所以曲线 A的频度温度特性方程为:(式中Tm,n为Tm或Tn)

11.jpg

若选任意点的温度为参考温度,则a0,b0,c0皆不等于0,这时频度温度特性方程为:

44.jpg

综是所述可知,同一频率温度特性曲线,当选用不同的参考温度时,频率温度特性方程的表示有所不同,相应的a0,b0,c0的数值也不相同。关于参考温度的选取,在宽温度范围使用时,常选取拐点温度作为参考温度;在恒温使用时,则选取极小点温度Tn为参考温度,AT切型的拐点温度一般为Tinƒ=27℃。

影响AT切型频率温度特性的因素


1、切角φ1的影响

当AT切型晶片的外形确定后,改变频率温度特性的最有效的办法是改变晶片的切角。因此,可根据不同的工作温度要求及温度频差,然后再设计所需的切角。

2、晶片尺寸的影响

当晶片的厚度t为变薄时,频率温度特性曲线要往正方向移动,如果欲保持频率温度特性不变,则需要适当地增大切角。当圆形晶片的直径减小时,频率温度特性曲线也要向正方向移动,如果欲保持频率温度特性不变,也需要适当地增大切角。当平凸、双凹晶片的曲率半径R减小时,频率温度特性曲线要向负方向移动,如果欲保持频率温度特性不变,则应适当地减小切角。

AT切型石英晶体元件的基频、三次泛音和五次泛音的频率温度特性曲线.jpg
AT切型石英晶体元件的基频、三次泛音和五次泛音的频率温度特性曲线 图

3、泛音次数的影响

AT切型石英晶体元件的基频、三次泛音和五次泛音的频率温度特性曲线如上图所示。根据实验结果,三次泛音的一级温度系数(a0)3与基频的一级温度系数(a0)1,之差,即(a0)3-(a0)1≈(0.6-0.7)×10^(-6)/℃。当获得基频的最佳切角后,如果要三次泛音振动的频率温度特性保持与基频一样,只要将切角增加7-8′即可;如果是五次或七次泛音时,只要将切角再增加1-2′即可。

4、电轴偏差的影响

AT切型的石英晶体元件的电轴偏差,对频率温度特性曲线的影响很小,因此在设计时无需对它提出过高的要求。如通用的AT切型石英晶体元件的电轴仿偏差可运行在±30′以内,对小公差元件应在±15′以内。

5、负载电容对ƒL-T特性的影响

注意:当石英晶体元件工作在谐振频率ƒr时,则没有负载电容对ƒL-T特性的影响。对基频晶体元件,当有负载电容时,晶体元件工作在负载谐振频率时必须要考虑负载电容,并电容与动态电容对ƒL-T特性的影响。而泛音晶体元件由于影响小,可忽略不计。

(未完待续......)


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