1 .音叉石英晶體簡介

音叉晶體,或者也稱為腕表晶體,是最古老的晶體設計之一,用于手表,時鐘以及當今計算機和其他電子設備中的時間控制,如實時時鐘( RTC ).

今天,這些晶體單元正在以各種封裝尺寸和形狀批量生產.正如工業中的任何地方一樣,小型化也影響了這種晶體類型,這導致了更小的封裝和SMD形式,能夠進行SMT加工.

用于此目的的最常見頻率是32.758kHz,當頻率除以215,得到1Hz (赫茲)信號時,振蕩器可以利用該頻率提供一秒鐘的輸出信號.

30 ~ 200千赫的頻率用于其他應用.

2 .石英晶體材料及其工作原理

正如名字所說,石英晶體是由石英制成的.石英是一種天然材料,在地球上隨處可見,主要是石英砂和形成晶體的巖石.如今,石英是在高壓釜中合成生長的,比天然石英純度更高.對于使用的音叉晶體Ybars,Y是指石英晶格的軸,該棒沿著該軸生長.

石英因其將機械應力轉化為電能的特性而被使用,反之亦然.這種效應被稱為壓電效應.在那里也是可以用作利用壓電效應的振動器的其它材料,例如陶瓷,但是其中石英對于振動諧振器具有最好的性能,并且提供高的Qfactor.

基于原子空間晶格的取向和取向,有不同類型的石英可供選擇.這在名稱上被區分為左手石英和右手石英,也稱為α和β修飾.兩者可以同時存在于同一石英塊或晶片中,并且兩者可以同時工作.然而,這不是想要的操作模式,需要避免.

3 .石英晶體振動模式

石英中的壓電效應可以在不同的振動模式中使用,這是基于這些振動板(稱為晶片或坯料)從原材料中切割出來的方式,考慮到它們對原子晶格的取向.下面是最常見的振動模式.

對于音叉石英晶體,使用的是彎曲模式.彎曲模式晶體單元主要在低于1兆赫茲的低頻范圍內工作.因為這些晶體通常僅使用基波模式,泛音模式是可能的,但由于這些晶體在泛音模式下具有高電阻,因此不容易實現.

4 .石英晶體切割

為了利用期望的振動模式并具有壓電效應,諧振器的晶體板需要從石英晶格中切出一定角度.

多年來,為了正確定義這些削減,縮寫詞被分配給了這些削減.對于音叉晶體,在彎曲中工作模式,被稱為X -切割,XYcut或NTcut.

它們之間的差異與最終晶體單元的性質和制造技術有關.最常見的是Xcut (也稱為X+2cut ),它也用在我們圓柱形封裝的晶體上.

5 .音叉彎曲模式工作原理

音叉這個名字來自于類似音叉形狀的水晶板(稱為水晶晶片或坯料)的設計.

其工作原理與音叉相同,兩個尖端將以一定的頻率振動.頻率由音叉尖端的質量定義,這與音叉尖端的機械尺寸有關,包括所有三維尺寸,長度,寬度和高度.

6 .音叉彎曲模式電極電鍍

為了使音叉尖端的機械運動起作用,需要向音叉尖端施加電場.這是通過在石英表面電鍍電極來實現的.對于這些電極,主要使用銀,但鋁和金也是可能的.

音叉X切割晶體上的電極鍍層需要鍍在尖端的所有四個側面上，并且兩個尖端需要具有相反的極性，這樣尖端將按照上一頁描述的方式移動。

7 .音叉晶體組件

8 .音叉晶體電參數

石英晶體的電學參數取決于其基于所用石英切割的性質。主要參數可以通過從機械振動模型中提取的等效電路來解釋。

機械振動模型及其等效電路。

石英晶體單元的等效電路由電容器C1、電感器L1和電阻器R1的串聯支路組成，并聯電容C0。

左下角顯示了帶有外部負載電容器CL的晶體單元的符號。

音叉晶體電氣參數(續)下表列出了客戶需要指定的典型音叉晶體單元的電氣參數。

1 )等效串聯電阻是晶體在振蕩器電路中表現出的電阻.

下表列出了客戶需要指定的典型音叉晶體單元的電氣參數。

可以指定附加參數,例如運動電容C1,電容比C0/C1,Q因子等,但是對于普通應用來說不是必需的.所有這些參數也因頻率和包裝而異類型,請聯系制造商了解更多詳細信息.

8.音叉晶體電氣參數(續)

該圖表顯示了音叉晶體單元的典型頻率-溫度特性.

綠色曲線顯示了曲率常數k = 0.034ppm / C的理想晶體,其轉折點正好在+ 25°C,并且在室溫( 0ppm )下被設置為中心頻率.

灰色區域表示如果在室溫下制造20ppm公差的晶體單元的范圍(紅色虛線),具有+ 25±5°C的轉折點范圍和0.034ppm / C的曲率常數

8.音叉晶體電氣參數(續)

該圖表顯示了石英晶體單元的典型老化特性.老化取決于各種因素,這些因素的總和可以增加或減少頻率.隨著時間的推移,如曲線所示,石英晶體趨于穩定,制造商在加工過程中進行預研磨,以獲得更多的石英晶體逐漸老化的部分.

影響行為的因素是:壓力,雜質,溫度,制造方面

9 .音叉晶體振蕩器電路

如今,振蕩器電路通常集成到IC中,因此外部只需要幾個元件.右側的示意圖顯示了低頻振蕩器的典型電路.它包括:

集成放大器或門.相移電阻器“Rd”,通常是集成的,典型值為300k.此處顯示的IC輸入/輸出電容“CXC_”是為了完整起見,因為它們是電路總負載電容的一部分.

反饋電阻“Rf”,通常是外部的,因為其典型值為10M.晶體單元“Y1”.

外部負載電容器“C1”和“C2”,它們的值取決于電路設計,板上的附加雜散電容和晶體.

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