KDS晶振是日本國際知名電子元件品牌,擁有獨特的生產(chǎn)技術(shù),發(fā)展至今仍不讓開拓創(chuàng)新,為用戶提供更多更有價值的晶振產(chǎn)品.這一次日本大真空株式會社開發(fā)世界最小的帶有溫度傳感器的DSR1210ATH石英晶體諧振器也就是我們說的熱敏晶振,并且將于2019年1月份提供樣品,在2019年5月份批量生產(chǎn).

  溫度傳感器內(nèi)置石英晶體是用作RF的電子部件,用于智能手機的GPS時鐘源,GPS/GNSS等.近年來,電子器件,薄,高性能,并且在較高的功能的小型化正在取得進展,越來越多的應(yīng)用需要石英晶振,貼片晶振.KDS晶振集團已促進了大規(guī)模生產(chǎn)內(nèi)置2016尺寸和1612尺寸的石英晶體的溫度傳感器.1210mm晶振大小是KDS研發(fā)的世界上最小尺寸的一種內(nèi)置溫度傳感器的石英貼片晶振,應(yīng)用于5G（第五代移動通信系統(tǒng)）的IoT（互聯(lián)網(wǎng)的單聲道）.

   DSR1210ATH石英晶體諧振器實物圖

  通常帶有溫度傳感器的石英晶體諧振器,溫度補償是基于晶體振蕩器并入在芯片組側(cè)的溫度傳感器,不僅具有晶振本身的特點并且具有更多功能特性.例如,有諸如溫度系數(shù)和AT切割石英晶體諧振器的拐點溫度,但是這些將改變晶體片,形狀等的尺寸.由于隨著尺寸變小,特性變得更可能變化,因此需要晶體坯料的加工精度.

  DSR1210ATH石英晶體諧振器使用了光刻法的晶體片處理時,并在同一時間減少處理變形,KDS晶振開發(fā)了一種以晶振片較不敏感的變化影響,實現(xiàn)了比傳統(tǒng)石英晶振,貼片晶振相比性能更高,小尺寸的特點能夠?qū)嵙暩碗娖较?/span>,有助于振蕩電路通過使操作在300微瓦最大.

  KDS晶振通過用于光刻加工的晶體晶片平行大規(guī)模制造,大幅增加未來預(yù)期的物聯(lián)網(wǎng)市場數(shù)量并提高成本競爭力.采用小型化溫度傳感器（NTC熱敏電阻）,實現(xiàn)小體積多元化,確保帶有溫度傳感器的晶體諧振器性能高于現(xiàn)有的2016和1612晶振的可靠性使用.

  DSR1210ATH石英晶體諧振器尺寸圖

   DSR1210ATH石英晶體諧振器特點

  超緊湊SMD溫度傳感器內(nèi)置晶體振蕩器尺寸：最大1.2×1.0×0.55mm.

  內(nèi)置NTC熱敏電阻作為溫度傳感器

  采用陶瓷封裝和金屬蓋,實現(xiàn)高精度,高可靠性

  無鉛/符合RoHS標準

  支持驅(qū)動電平：最大300μW.

  [主要應(yīng)用]物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)設(shè)備,如智能手機和可穿戴設(shè)備

  [生產(chǎn)狀況]樣品響應(yīng)時間：2019年1月-.批量生產(chǎn)響應(yīng)期：2019年5月-

  DSR1210ATH石英晶體諧振器電氣特性

  如需其他規(guī)格或特殊規(guī)格,請聯(lián)系億金電子銷售部0755-27876565.

  [晶振術(shù)語解釋]

  溫度系數(shù)：切割方向,其中頻率相對于溫度變化的變化量表示三次曲線.AT切割晶體坯料在寬溫度范圍內(nèi)具有穩(wěn)定的頻率它被獲得并且最常用于MHz頻帶的石英晶振晶體器件中.

  溫度系數(shù)

  ATcut晶體單元的頻率溫度特性由下面的三次多項式近似.

  F（T）=C3（T-T0）3+C2（T-T0）2+C1（T-T0）+C0

  C0：常數(shù)/C1：1次溫度系數(shù)/C2：2階溫度系數(shù)/C3：3下一個溫度系數(shù)

  t：溫度/t0：參考溫度

   X1G0035610010晶振X1G0044410093貼片晶振X1G0041310013貼片晶振X1G0039010203晶振X1G0038410034溫度補償晶振X1G0038410010貼片晶振X1G0038310034石英晶體振蕩器X1G0035610090溫度補償晶振X1G0035610048石英晶振X1G0044410097溫補晶振X1G0038310035晶振X1G0035610091愛普生進口晶振X1G0035610049貼片晶振X1G0044410101溫度補償晶振X1G0044310102溫度補償晶振X1G0041310004貼片晶振X1G0038410048石英晶體振蕩器X1G0038410015溫度補償晶振X1G0038310038石英晶振X1G0035610093石英晶體振蕩器X1G0044310101溫補晶振X1G0039010204石英晶振X1G0038410040愛普生進口晶振X1G0038410011溫補晶振X1G0035610050溫補晶振X1G0050610093愛普生進口晶振X1G0044310103愛普生進口晶振X1G0041310006晶振X1G0038410052晶振X1G0038410017愛普生進口晶振

   X1G0038310047貼片晶振X1G0035610094晶振X1G0035610059溫度補償晶振X1G0038310051溫補晶振X1G0035610097石英晶振X1G0041310011石英晶振X1G0039010201愛普生進口晶振X1G0035610066愛普生進口晶振X1G0050610101石英晶體X1G0044410086晶振X1G0041310008愛普生進口晶振X1G0038510014貼片晶振X1G0038410027晶振X1G0038310053溫度補償晶振X1G0035610098貼片晶振X1G0035610067石英晶體振蕩器X1G0050610102有源晶振X1G0044410088石英晶振X1G0041310009石英晶體振蕩器X1G0038510016溫補晶振X1G0038410029石英晶振X1G0038310055愛普生進口晶振X1G0035610101溫補晶振X1G0035610083晶振X1G0035610102溫度補償晶振X1G0050610097石英晶體振蕩器X1G0044310104石英晶體振蕩器X1G0041310007溫度補償晶振X1G0038410054石英晶振X1G0038410026石英晶體振蕩器X1G0035610085石英晶振X1G0038410004石英晶振X1G0035610089溫補晶振X1G0050610103有源晶振X1G0041310010晶振X1G0039010200溫度補償晶振X1G0038410030貼片晶振X1G0038310056石英晶體振蕩器X1G0038410033溫補晶振X1G0038410002晶振X1G0035610103愛普生進口晶振X1G0035610087貼片晶振X1G0039010202石英晶體振蕩器

恒溫晶振(OCXO)介紹

恒溫晶體振蕩器OCXO( Oven Controlled Crystal Oscillator),是目前頻率穩(wěn)定度和精確度最高的石英晶體振蕩器。它在老化率、溫度穩(wěn)定性、長期穩(wěn)定度和短期穩(wěn)定度等方面的性能都非常好,作為精密的時頻信號源被廣泛用于全球定位系統(tǒng)通信、計量、頻譜及網(wǎng)絡(luò)分析儀等電子儀器中。目前,絕大多數(shù)高穩(wěn)定度石英晶體振蕩器都采用了將晶體恒溫的方法,使用精密的恒溫控制槽,將槽內(nèi)溫度調(diào)節(jié)到晶體諧振器的零溫度系數(shù)點上。這樣,能最大限度地克服溫度對晶體振蕩器頻率的影響,被廣泛用作標準頻率源。恒溫晶體振蕩器包括以下幾個基本組成部分。

1.高精密的石英諧振器

石英諸振器是振蕩電路的核心元件。正確選擇切角是制作頻率溫度系數(shù)好的石英諧振器的必要條件,特別是在寬溫度范圍內(nèi)使用的石英晶體諧振器更是如此。目前恒溫晶體振蕩器中常用的石英諧振器有AT切和SC切兩種。它們具有頻率溫度系數(shù)小,Q值高,老化效應(yīng)小等特點。

2.穩(wěn)定的振蕩電路

由于恒溫晶體振蕩器要求頻率穩(wěn)定度高,除了在控溫電路方面要達到一定的控溫精度外,振蕩電路本身穩(wěn)定性也是起決定性作用的。恒溫晶體振蕩器中振蕩電路的基本功能就是把直流電能轉(zhuǎn)變成具有一定頻率、幅度且頻率高度穩(wěn)定的交流電能,這種轉(zhuǎn)換是在石英諧振器的參與下進行的。其中最突出的問題就是頻率的穩(wěn)定性。所以分析、設(shè)計振蕩電路都以此為前提。

3.結(jié)構(gòu)完善、溫控良好的精密恒溫箱

精密恒溫箱是由恒溫槽,溫度控制電路及其它輔助裝置組成的恒溫系統(tǒng)。在晶體振蕩器中,用來使石英諧振器和有關(guān)電路元件保持恒溫。其作用是把石英晶振,石英諧振器的溫度穩(wěn)定在石英諧振器的拐點溫度處,從而充分發(fā)揮拐點溫度附近石英諧振器的頻率溫度系數(shù)小的特性,使其得到合理使用。設(shè)計一個符合要求的恒溫槽和選擇一個性能良好的溫度控制電路對穩(wěn)定頻率起著舉足輕重的作用。因此一個高穩(wěn)定的晶體振蕩器,不但應(yīng)具有穩(wěn)定的振蕩電路,而且還必須有性能良好的恒溫箱來保證其頻率的穩(wěn)定,兩者缺一不可。隨著對晶體振蕩器穩(wěn)定度要求的逐步提高,對恒溫箱的控溫精度要求也越來越高,目前,頻率穩(wěn)定度在100~10量級的晶體振蕩器,其恒溫箱的溫度控制精度應(yīng)在0.001℃以內(nèi)。

隨著通信技術(shù)的不斷提高,對恒溫晶振的要求越來越高,使其不斷向著高精度與高穩(wěn)定化,低噪聲與高頻化、低功耗、快啟動、小型化方向發(fā)展。

晶振的相關(guān)數(shù)學定義

假設(shè)晶振輸出信號為正弦波,其數(shù)學模型可以表示為:

式中VO為標稱峰值輸出電壓,§(t)為幅度偏移,φ(t)為相位偏差,fr為標稱頻率。

瞬時頻率為:

相對頻率偏移為：

式中x(t)=為時間偏差,由式(2-7)可以得到：

瞬時頻率的常用公式為:

式中f(t)為t時刻的瞬時頻率值,fO為t=0時刻的頻率值,fr為標稱頻率,D(t)為頻率漂移率。

由式(2-7)和(2-9)可推導(dǎo)出:

式中,y為初始相對頻率偏差。

由式(2-8)和(2-10)可以得到:

式中,x為初始時間偏差,也叫做同步誤差。

一般性能比較好的石英晶振,日老化率近似為常數(shù),特別是對于OCXO晶振,在頻率保持模式下,我們只考慮老化對實際頻率的影響。很多晶振的老化指標用的是年老化率,如±0.05ppm( Part per Million),一般情況下我們可以近似得出日老化率, 大概為年老化率的百分之一。

假設(shè)晶振老化率為常數(shù),式(210)變?yōu)椋?/span>

其中當|Bt|<<1時,有ln(Bt+1)→Br,式(2-17)變?yōu)槭?/span>(2-12)的形式:

y(t)=C+ ABt                              式(2-18)

圖2.4給出了典型的老化率數(shù)學模型。可以看出石英晶振的老化率可以為正數(shù)可以為負數(shù),也可能會產(chǎn)生圖中曲線y3(t)的情況。圖2.5為銣原子頻標的老化曲線,由于測試曲線的后半段存在參考和被測之間因漂移方向相同的現(xiàn)象,從而導(dǎo)致漂移問題不是很明顯。

式中,do、d為正數(shù),參數(shù)aj(n),j=1,2,…,M由當前數(shù)據(jù)輸入和上次數(shù)據(jù)輸出迭代估計得到,價值函數(shù)為

通過最小化價值函數(shù),可以得到參數(shù)a,(n),j=1,2,…,M,得到t(n)時刻的ao a1…aM后,t(n+l)時刻的相對頻率偏差預(yù)測值為:

系列實驗表明,估計性能對d0、d和M的取值不是很敏感,建議取值為d=1~05d(M-1),d=0.1~1.0,M=5~10。加權(quán)對數(shù)函數(shù)模型的缺點是計算比較復(fù)雜。

2.2.4晶振的頻率溫度特性

除過老化的影響,溫度也是影響頻率變化的主要因素,而不同切型的晶體的頻率一溫度特性是不一樣的,一般AT切基頻晶體的頻率一溫度變化關(guān)系都是三次曲線,存在若干個零溫度系數(shù)點,如圖2.6所示。

因此對其進行溫度補償時要采用具有非線性函數(shù)擬合能力的數(shù)學模型。然而由于OCXO恒溫晶振中一般采用SC切晶體,雖然其頻率一溫度變化曲線也是非線性的, 但是其頻率一溫度穩(wěn)定度在寬溫度范圍內(nèi)較AT切晶體有很大改善,并且由于它將石英晶體、振蕩電路以及部分其它線路置于精密恒溫槽中,恒溫槽的工作溫度選擇在所用晶體的零溫度系數(shù)點處,因此OCXO恒溫晶振的頻率溫度系數(shù)非常小。當恒溫槽的工作溫度波動被控制在很小范圍內(nèi)時,如優(yōu)于百分之一攝氏度時,其頻率溫度變化也可以被限制在很小的范圍內(nèi),而且正是由于這種恒溫作用,其頻率溫度變化曲線非常接近于線性。所以對OCXO恒溫晶振的頻率溫度變化的預(yù)測可以采用線性數(shù)學模型, 而Kalman濾波算法正是一種較好的線性模型估計器,因此用它來擬合OCXO恒溫晶振的頻率溫度特性曲線是合適的。

石英晶體的原子面符號

石英晶體和非晶體本質(zhì)差別在于它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否存在周期性。為了描述晶體結(jié)構(gòu)的周期性,用空間點陣來模擬晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過點陣的“點子”作三組向不同的平行線,就構(gòu)成了空間格子,稱為“晶格”,如圖1.2.1。

圖1.2.1晶格示意圖

整個空間格子是由一個單元重復(fù)排列的結(jié)果,這個重復(fù)單元就稱為“晶胞”。晶胞是石英晶體結(jié)構(gòu)的基本單元,晶胞的形狀和大小由晶胞參數(shù)(晶胞的幾個邊長和這幾個邊長之間的夾角)來決定。晶胞的選擇不是唯一的,除反映晶體內(nèi)部的周期性外,還要反映晶體的外部對稱性。

石英晶體的晶胞是選擇如圖1.2.2所示的六角晶胞,其晶胞參數(shù)為c=b=d4.9404A;c=5.394A;a=B=90°;y=120°

圖1.2.2六角晶胞示意圖

在晶體點陣中,通過任一點子,可以作全同的原子面和一原子面平行,構(gòu)成一族平行原子面。這樣一族原子面包含了所有點子,它們不僅平行而且等距,各原子面上點子分布情況相同。晶體中有無限多族平行原子面。不同族原子面在石英晶振晶體中的方位不同,原子面的間距不同,原子在原子面上的分布不同,相應(yīng)的物理性質(zhì)也不同。因此,我們用原子面指數(shù)來表示該族原子面的方位,代表該族原子面。為了表明各個原子面,一般采用原子面指數(shù)(hk)表示,只有三角晶系和六角晶系才采用原子面指數(shù)(hki1)表示,現(xiàn)分別介紹如下。

一、一般晶系原子面指數(shù)表示法

從幾何學中知道要描述一個平面的方位,就要選一個坐標系,然后標出這個平面在此坐標軸上的截距,或標出這個平面的法線在此坐標系中的方向余弦,描述原子面的方位也是如此。選某一原子(或離子、分子)的重心為坐標原點,以晶胞的三個邊a、b、c(即晶軸)為坐標系,但應(yīng)注意：

(1)由貼片晶振晶軸組成的坐標系不一定是直角坐標系

(2)晶軸上的長度單位分別為晶格常數(shù)a、b、c,所以截距的數(shù)值是相應(yīng)晶格常數(shù)的倍數(shù)。

例如M1、M2、M3原子面與三個晶軸分別交于M1、M2、M3點,如圖1.2.3所示,三個截距為

圖1.2.3(236)原子面

知道了原子面在坐標中的截距,就等于知道原子面在晶體中的方位,所以也可用截距p、q、r來標志原子面,但由于原子面與某晶軸平行時相應(yīng)的截距為無限大,為了避免出現(xiàn)無限大,改用截距倒數(shù)的互質(zhì)比。

來標記原子面,為了簡化常略去比例記號,采用(hk)表示,(hk)就稱為原子面指數(shù)(或晶面指數(shù)、密勒指數(shù)),例如圖1.2.3中原子面指數(shù)為(2,3,6)即：

有時也稱MM2M3平面為(2,3,6)原子面,圖1.2.4中標出了一些簡單的原子面指數(shù),因為有源晶振,石英晶振晶軸有正向、負向之分,所以原子面指數(shù)也有正、負之分,通常將負號寫在指數(shù)的上面,例如(010)原子面,就表示原子面與a軸、c軸平行,與b軸的截距為-b。

圖1.24一些簡單的原子面指數(shù)

六角晶系和三角晶系原子面指數(shù)表示法上述原子面表示法可用于全部晶系,具有普遍性,但在六角晶系中采用四個晶軸的坐標系比較方便,四個晶軸中的a、b、d、軸在同一平面上,互成120°0,夾角,c軸則與此平面垂直。原子面指數(shù)(hk1)中h、k、i、l則分別對應(yīng)于a、b、d、c軸截距倒數(shù)的互質(zhì)比。例如,某原子面與四個晶軸分別交于M1M2M3M4點,如圖1.2.5所示四個截距為

OM2=pa=4a

OM2=qb=4b

OM3=rc=2c

OM4=td=-2d

圖1.2.5(1122)原子面

這些截距倒數(shù)的互質(zhì)比為

可見圖M1M2M3M4面的原子面指數(shù)為 (1122)。

圖12.2表示六角晶胞的原子面指數(shù),圖1.2.5表示右旋石英晶振,石英晶體的部分原子面指數(shù),從這些的原子面指數(shù)中可以看出:

(1)存在這樣的規(guī)律,即h+k+i=0。這就是說,在h,k,i中,只要知道其中兩個即可確定第三個,利用這種關(guān)系,有的資料中把原子面指數(shù)(h k i l)簡寫為(h k l)。

(2)通過(hkiD)原子面的前三個指數(shù)h,k,i全部排列,可得六個原子面,這六個原子面與z軸平行,X射線的反射角(即掠射角) θ相同。其物理性質(zhì)也相同。如(1010)原子面,將前三個指數(shù)全部排列,即得六個原子面為(1010),(1100),(0110),(100),(0110),(1010)這就是石英晶體的六個m面。

(3)通過對(hki1)原子面的三個指數(shù)h,k,l全排列,以及將第四個指數(shù)l(l0)變號后再排序,可得十二個原子面,根據(jù)晶體的對稱性發(fā)現(xiàn)這十個原子面可分為二組,每組六個原子面,同一組原子面的性質(zhì)完全相同例如:(1011)原子面,將前三個的指數(shù)全排列,即得六個原子面為(101i),(1101),(0111),(1101),(011),(1011)將第四個指數(shù)變號后,再全排列,又得六個原子面為(1011),(101),(011),(1101),(0111),(1011)將這十二個原子面分成兩組,前三個和后三個原子面為一組,中間六個原子

面為一組,即:

甲組:(1011),(1101),(0111),(1101),(0111),(1011)

乙組:(1101),(011),(1011),(1011),(1101),(01)

將這些結(jié)果與圖1.2.6比較,即可看出,甲組原子面就是石英晶體中的六的R面,乙組原子面就是石英晶體中的六個r面

(a)右旋石英晶體(b)上部R面和r面(c)下部R面和r面

圖1.2.6右旋石英晶體的原子面指數(shù)

  石英晶體的介電性質(zhì),大家知道,金屬可以導(dǎo)電,這是因為金屬中存在著自由電子,在電場的作用下,這些自由電子被迫作定向運動而形成電流。然而,電介質(zhì)是不能導(dǎo)電的,這是因為電介質(zhì)中的電子(稱束縛電子)被原子核束縛得很緊,在一般電場作用下,束縛電子的位置只能作很小的移動。這種移動造成介質(zhì)中的正、負電荷中心不重合而產(chǎn)生極化,所以電介質(zhì)只能以極化方式傳遞電的作用。本節(jié)要介紹石英晶振晶體電介質(zhì)的極化性質(zhì)及其所遵循的電學規(guī)律。

一、電介質(zhì)的極化和極化強度

如圖2.1.1(a)所示的電介質(zhì)中,介質(zhì)的兩面已被敷金屬電極,當電場等于零時,介質(zhì)中的正、負電荷中心重合,介質(zhì)處于電中性。當電場不等于零時,在電場的作用下,介質(zhì)中的正、負電荷中心不再重合,并形成許多電偶極矩,于是介質(zhì)產(chǎn)生極化,如圖2.1.1(b)所示。因這些電偶極矩頭尾相銜接,故可畫成如圖2.1.1(c)所示的情況,在介質(zhì)與電極的分界面上分別出現(xiàn)正、負極化電荷(即正、負束縛電荷)。電偶極矩的方向規(guī)定為從負極化電荷指向正極化電荷,電偶

(a)E=0時,介質(zhì)處于中性狀態(tài)()E≠0時,介質(zhì)產(chǎn)生極化(c)介質(zhì)極化示意圖

圖2.1.1電介質(zhì)極化示意圖

極矩的大小等于ql,其中l為正、負極化電荷之間的距離,q為極化電荷。如果以p表示電偶極距,即可寫成

p=ql                           (2.1.1)

為了描述電介質(zhì)的極化強度,現(xiàn)引入極化強度的概念。極化強度P等于單位，體積(△V=1)內(nèi)的電偶極矩的矢量和,即

p=                            (2.1.2)

由式(2.1.2)可以得到,石英貼片晶振電介質(zhì)的極化電荷面密度極與該處極化強度的法向量Pn之間的關(guān)系為

σ極=Pn           (2.1.3)

二、各向異性介質(zhì)中極化強度P,電位移D和電場強度E之間的關(guān)系,晶體都是各向異性體,對于完全各向異性電介質(zhì)(如三斜晶系),實驗上發(fā)現(xiàn),D、E、P的方向彼此不同,但關(guān)系式D=6oE+P依然成立。P與E的關(guān)系和D與E的關(guān)系分別為

式中;比例系數(shù)x稱為介質(zhì)的極化率(或極化系數(shù))。e稱為介電常數(shù)(F/m); ε/ε0稱為相對介電常數(shù)。εo為真空介電常數(shù)

ε0=8.85×10-12F/m。

由式(2.1.4)和(2.1.5)可以看出,各向異性電介質(zhì)的極化率有9個分量,介電常數(shù)也有9個分量.

在物理上,按照式(2.1.4)和(2.1.5)的形式,用9個分量來反映二個矢量之間關(guān)系的物理量,稱為二級張量。在數(shù)學上,常用矩陣形式來表示張量。

極化率的矩陣表示式為:

完全各向異性電介質(zhì)的極化率和介電常數(shù)都是6個獨立分量,它們的數(shù)值由材料的介電性質(zhì)所確定。

三、介電常數(shù)

我們已經(jīng)知道,描寫各向同性介質(zhì)只要一個介電常數(shù),而描寫完全各向異性的電介質(zhì)則需要六個獨立的介電常數(shù)分量。石英晶振,有源晶振,石英晶體屬于三斜晶系32點群,它是介于各向同性和完全各向異性之間的晶體。根據(jù)它的對稱性,可得到石英晶體的介電常數(shù)矩陣為：

由式(2.1.9)可以看出,石英晶振晶體不等于零的介電常數(shù)分量共3個,其中獨立分量2個,即ε11=ε22和ε33,ε12=ε13=ε23=0。石英晶體相對介電常數(shù)的數(shù)值為

因為各向異性電介質(zhì)的介電常數(shù)與方向有關(guān),所以坐標變換時,相應(yīng)的介電常數(shù)分量也發(fā)生變化。例如:繞x軸旋轉(zhuǎn)某一角度q1的新坐標系Oxyz中

(見圖2.1.2)。

圖2.1.2繞x軸旋轉(zhuǎn)q1角度后,新、舊座標之間的關(guān)系

石英晶體的介電矩陣為:

知道φ1角后,即可通過式(2.1.11)求得所需的介電常數(shù)分量εkl