日本京瓷晶振成立于1982年,憑借高超的生產技術,先進的服務理念發展成為國際知名品牌,在業內享有重要聲譽.京瓷晶振集團在全球的事業涉及原料、零件、設備、機器,以及服務、網絡等各個領域.所生產的石英晶體,貼片晶振產品更是獲得國內廣大用戶一致認可.以下為億金電子進口晶振代理商所提供的京瓷石英貼片晶振編碼,歡迎下載查閱.

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TCXO晶振是一種通過內置具有與石英晶體諧振器所具有的溫度特性正相反的特性的電路（即溫度補償電路）,來獲得可覆蓋寬溫溫度范圍的優良的溫度特性的石英晶體振蕩器.以下為億金電子整理的NDK溫度補償晶體振蕩器(TCXO晶振)功能應用大全,歡迎收藏點評.

  小尺寸：1.6×1.2mm|尺寸：2.0×1.6mm|尺寸：2.5×2.0mm|尺寸：3.2×2.5mm|

  特征

  |車載對應規格|

  |RTC模塊|對應寬溫32.768K TCXO|對應寬溫TCXO|帶有同一頻率的兩個輸出功能TCXO|

  |低電壓,且具有E/D功能的TCXO|帶有溫度感應電壓輸出功能和Enable/Disable功能TCXO|具有CMOS輸出E/D功能的TCXO|

  |帶有AFC（頻率控制）功能|適用于高精度GPS|具有Enable/Disable(Stand-by)功能|標準型TCXO|

  |用于小型單元基站,基干網絡裝置的高精度TCXO晶振|用于高精度5G對應器具,基干網絡裝置的TCXO|

國內選擇進口晶振品牌越來越多,除了我們所熟悉的KDS晶振,精工愛普生晶振,新西蘭瑞康晶振,美國CTS晶振,美國IDT晶振等品牌,像日本NAKA晶振,韓國SUNNY晶振,韓國LiHom晶振一些之前被我們所忽略掉的晶振品牌也越來越多的走進我們的視野,更多的歐美品牌進入國內市場.

億金電子是國內數一數二的晶振供貨商,十幾年來不斷為用戶推薦并提供高效的晶振產品,同時代理多家進口晶振品牌,以滿足各領域客戶的產品需求.下面要給大家所介紹的就是韓國知名頻率元件制造商LiHom晶振,有關韓國LiHom晶振集團的簡單介紹歡迎點評.

Lihom晶振成立于1976年,注冊資為1000萬美元,隨后在1986年成立水晶事業部,專為研發生產石英晶體振蕩器,壓電水晶振蕩子,貼片晶振,石英晶體諧振器,VCXO振蕩器,TCXO振蕩器等頻率元件.多年來,Lihom晶振一直不斷發展壯大,先后在韓國首爾,韓國金浦,中國東莞,青島等地建立工廠,致力于研發生產石英晶振產品,并且獲得ISO-14000環境認證體系,以及ISO/TS16949等質量體系認證.韓國Lihom晶振被廣泛用于網絡,通訊,數碼,航空,安防,智能家電,汽車系統等領域,具有高可靠,高性能,高精密,低損耗,低抖動,低相位噪音等特點.

ILSI America LLC是歐美晶體行業的領導者,以下我們簡稱為ILSI晶振,ILSIcrystal專業提供廣泛的頻率控制產品,主要業務是開發和供應石英晶體振蕩器,貼片晶振,石英晶振,壓電晶體,陶瓷諧振器等產品,包括各種封裝類型的晶體振蕩器以及石英晶體諧振器.所提供的有源晶體振蕩器包括,時鐘振蕩器,MEMS振蕩器,VCXO晶體振蕩器,TCXO晶體振蕩器,TC-VCXO晶體振蕩器和OCXO晶體振蕩器產品.

ILSI晶振集團所提供的石英貼片晶振產品均按照ILSI工廠控制系統的最高質量標準生產.ILSI晶振因其快速靈活的供應解決方案以及高品質的頻率控制產品具有競爭力的價格而受到廣大用戶認可.以下為億金電子所介紹的ILSI小體積貼片晶振支持智能電表無線射頻應用型號,歡迎閱讀點評.

   臺灣晶技晶振英文名稱TXC晶振,成立于1983年,專業生產石英晶振,貼片晶振,石英晶體諧振器,石英晶體振蕩器,有源晶振等頻率元件.所生產的晶振產品具有起振快,高品質,低損耗,高精度等特點,是國內上百家大型知名企業指定晶振品牌.

   億金電子代理臺灣TXC晶振提供各種封裝尺寸以及晶振型號編碼查詢,更有完美的晶振產品解決方案.以下為億金進口晶振代理商所整理的TXC晶振不同體積12M晶振對應的原廠料號查詢表.歡迎新老用戶收藏,方便下次選型參照使用.

   臺灣TXC晶振耳熟能詳,電子行業的人都知道,臺灣數一數二的頻率元件生產制造商,主要生產石英晶振,貼片晶振,有源晶振,石英晶體諧振器等.TXC晶振自成立以來發展至今快有40多年了,至始至終以服務客戶,以質量,以交期為第一的發展理念.

   TXC晶振擁有先進的技術,高端儀器設備,訓練有素的精英團隊,超前的創新思維,TXC晶振發展至今在國內外,臺灣,香港,蘇州,泰國,馬來西亞,深圳,重慶等地設有研發生產基地,銷售辦事處遍布世界各地.

石英晶體諧振器是利用石英晶體的壓電效應制成的一種諧振器件,其基本結構為:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極,在每個電極上各焊根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構成了石英晶體振蕩器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。圖2.1是石英晶振結構圖。圖22是一種金屬外殼封裝的石英晶體結構示意圖。

石英晶振晶體的壓電效應

若在石英晶體的兩個電極上加一電場,晶片就會產生機械變形。反之,若在晶振晶片的兩側施加機械壓力,則在晶片相應的方向上將產生電場,這種物理現象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會產生機械振動,同時石英晶振晶片的機械振動又會產生交變電場。在一般情況下,晶振晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小,但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時,振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸等有關。

石英晶振晶體的符號和等效電路

石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖23所示。當晶體不振動時,可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關,一般約幾個pF到幾十pF。當石英晶體諧振時,機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH.晶振晶片的彈性可用電容C來等效,C的很小,一般只有0.0002~0.lpF。

晶振晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效, 它的數值約為100g。由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質因數Q很大,可達1000~10000。加上晶振晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸有關,而且可以做得精確,因此利用石英晶體諧振器組成的諧振電路可獲得很高的頻率穩定度。

GPS定位系統是靠車載終端內置SIM通過移動GPRS信號傳輸到后臺來實現定位。在遠的地方定位人的行蹤。GPS衛星定位系統的前身是美軍研制的一種“子午儀”導航衛星系統，GPS全球定位系統是20世紀70年代由美國陸海空三軍聯合研制的新一代空間衛星導航GPS定位系統。
GPS定位系統工作原理是由地面主控站收集各監測站的觀測資料和氣象信息,計算各衛星的星歷表及衛星鐘改正數,按規定的格式編輯導航電文,通過地面上的注入站向GPS衛星注入這些信息。測量定位時,用戶可以利用接收機的儲存星歷得到各個衛星的粗略位置。根據這些數據和自身位置,由計算機選擇衛星與用戶聯線之間張角較大的四顆衛星作為觀測對象.

GPS接收機正常工作的條件是至少同時可以接收到4顆衛星的有效信號,當接收到的衛星個數少于4顆時,定位和定時信息是不準確的甚至是錯誤的。出現這樣的原因一般有:個別衛星退出工作、天線安裝位置不當、衛星故障等, 這些都有可能造成接收到有效信號的衛星個數過少。

而且有實驗證明即使將接收天線從接收機上拔掉,在其后的很長一段時間內GPS接收機仍有PS輸出,但此時的1PS與UTC已經有很大的差別,由此可見,GPS接收機完全有可能輸出錯誤的lPPS信號。另外,信號在傳遞過程中受到來自外界電磁信號的干擾,GPS接收機輸出的1PPS信號中可能含有毛刺,導致偽1PPS信號的產生,從而導致系統的誤動作,因此有必要采取抗干擾措施。這里采用硬件開窗方法消除干擾2,原理如圖4.1所示。

圖中的CLK信號由高穩定度的恒溫晶振提供,在系統上電復位后,啟動單片機的串行通訊口,接收GPS信息,根據解碼信息中的工作狀態指示判斷PPS的有效性。當初始觸發分頻信號到來之后,通過控制信號設置FPGA中的計數器在接收到的GPS1PS上升沿的附近產生一個短時間的高電平窗口信號,相當于一個與門,過濾掉窗口外的干擾信號。

另外,通過單片機自帶的外部中斷模塊來對去掉干擾后的PPS信號的上升沿進行檢測,根據檢測結果判斷GPS接收機是否正常工作,來決定系統的工作模式是馴服模式還是保持模式,具體消除1PS中干擾脈沖的波形圖如圖4.2所示。

下面主要介紹處理干擾時的重點:

1.初始觸發分頻信號的判斷

系統初始化后,用單片機的外部中斷連續三次檢測來自GPS接收機的1PPS信號,如果三次都檢測到則給出初始觸發分頻信號。

2.設置合理的“窗口”信號

由于OCXO恒溫晶振的輸出頻率比較穩定,當初始觸發分頻信號到來吋刻起,利用FPGA中的計數器和OCXO石英晶體振蕩器輸出的倍頻信號可以大致計算出下一個有效PPS脈沖的到來時刻,經過(1-△)秒后打開“窗口”,在計算得到的第二個PPS脈沖的到來時刻

后的M秒后關閉該“窗口”,只要M選擇得足夠小,則抗干擾效果就非常的明顯。

3.GPS信號的失效檢測及處理

對于整個馴服系統來說,GPS信號丟失會產生嚴重的后果,原因可能是接收機接收到的衛星個數少于四顆,如上面所說的天線的安裝問題等,使接收機處于非正常工作狀態。或者是GPS接收機與單片機模塊或者與門邏輯的接口出現問題,使GPS秒脈沖信號或時間狀態信息不能正常傳輸。

假如是第一種情況,接收模塊可通過GPS接收機串口輸出的狀態信息判斷其輸出信號是否失效,后面的軟件程序作出相應的處理。假如是第二種情況,屬于兩種功能模塊之間的通信故障,系統相關模塊不可能從GPS接收模塊獲得GPS的工作狀態信息或者秒脈沖信號,GPS_1PPS秒脈沖入口處的電平不會出現任何變化。

此時,相關模塊必須有獨自判斷GPS是否失效的能力。可以在“窗口”信號開通期間使用單片機相關外部中斷模塊,如果沒有檢測到正確跳變,說明GPS信號失效;如果“窗口”信號開通期間相關中斷模塊能捕捉到正確跳變,則說明GPS信號可能已恢復正常,此時系統可以繼續對恒溫晶體振蕩器OCXO進行校準。

億金電子專業生產銷售石英晶振,貼片晶振,石英晶體諧振器等晶體元件.多年來誠信經營,為用戶提供并且推薦質優價廉的晶振產品,在激烈的市場競爭環境中,憑借自身的才智不斷創新,改進擴大,以技術贏得市場,以質量贏得客戶.億金電子代理臺灣進口晶振,日本進口晶振,歐美進口晶振,市場上常見的晶振品牌如KDS晶振,NDK晶振,TXC晶振,鴻星晶振,京瓷晶振,精工晶體,CTS晶振,微晶晶振,愛普生晶振等均現貨,可免費提供樣品以及技術支持,歡迎登入億金官網查看了解詳情.

關于晶振的信息億金電子在前面的文章中已經提到過很多次了,大家有不懂的可以到億金新聞動態中了解.下面我們要說的是關于石英晶振晶片的由來以及石英晶振晶片的工作原理.

石英晶振晶片的由來

科學家最早發現一些晶體材料,如石英,經擠壓就象電池可產生電流(俗稱壓電性),相反,如果一個電池接到壓電晶體上,石英晶體就會壓縮或伸展,如果將電流連續不斷的快速開「關,晶體就會振動。

在1950年,德國科學家 GEORGE SAUERBREY研究發現,如果在石英晶體,石英晶體諧振器的表面上鍍一層薄膜,則石英晶體的振動就會減弱,而且還發現這種振動或頻率的減少,是由薄膜的厚度和密度決定的,利用非常精密的電子設備,每秒鐘可能多次測試振動, 從而實現對晶體鍍膜厚度和鄰近基體薄膜厚度的實時監控。從此,膜厚控制儀就誕生了。

薄薄圓圓的晶振片,來源于多面體石英棒,先被切成閃閃發光的六面體棒,再經過反復的切割和研磨,石英棒最終被做成一堆薄薄的(厚0.23mm,直徑1398mm)圓片,每個圓片經切邊,拋光和清洗,最后鍍上金屬電極(正面全鍍,背面鍍上鑰匙孔形),經過檢測,包裝后就是我們常用的晶振片了。

用于石英膜厚監控用的石英芯片采用AT切割,對于旋光率為右旋晶體,所謂AT切割即為切割面通過或平行于電軸且與光軸成順時針的特定夾角。AT切割的晶體片振動頻率對質量的變化極其靈敏,但卻不敏感干溫度的變化。這些特性使AT切的石英晶體片更適合于薄膜淀積中的膜厚監控。

石英晶振晶片的原理

石英晶體是離子型的石英晶體,由于結晶點陣的有規則分布,當發生機械變形時,例如拉伸或壓縮時能產生電極化現象,稱為壓電現象。例石英晶振晶體在9.8×104Pa的壓強下承受壓力的兩個表面上出現正負電荷約0.5V的電位差。壓電現象有逆現象,即石英晶體在電場中晶體的大小會發生變化,伸長或縮短,這種現象稱為電致伸縮。

石英晶體壓電效應的固有頻率不僅取決于其幾何尺寸,切割類型而且還取決于芯片的厚度。當芯片上鍍了某種膜層,使芯片的厚度增大,則芯片的固有頻率會相應的衰減。石英晶振,石英晶體的這個效應是質量負荷效應。石英晶體膜厚監控儀就是通過測量頻率或與頻率有關的參量的變化而監控淀積薄膜的厚度。

石英晶體法監控膜厚,主要是利用了石英晶體,石英晶體振蕩器的壓電效應和質量負荷效應。

石英晶體的固有頻率f不僅取決于幾何尺寸和切割類型,而且還取決于厚度d,即f=N/d,N是取決與石英晶振晶體的幾何尺寸和切割類型的頻率常數對于AT切割的石英晶體,N=f·d=1670Kcmm。

物理意義是:若厚度為d的石英晶體厚度改變△d,則石英貼片晶振頻率變化△f, 式中的負號表示晶體的頻率隨著膜增加而降低然而在實際鍍膜時，沉積的是各種膜料,而不都是石英晶體材料,所以需要把石英晶振厚度增量△d通過質量變換轉換成膜層厚度增量△dM,即

A是受鍍面積,pM為膜層密度,p。為石英密度等于265g/cm3。于是△d=(pM/pa)"△dM,所以

式中S稱為變換靈敏度。

對于一種確定的鍍膜材料,為常數,在膜層很薄即沉積的膜層質量遠小于石英芯片質量時,固有頻率變化不會很大這樣我們可以近似的把S看成常數,于是上式表達的石英晶振晶體頻率的變化人行與沉積薄膜厚度△dM有個線性關系因此我們可以借助檢測石英晶體固有頻率的變化,實現對膜厚的監控。

顯然這里有一個明顯的好處,隨著鍍膜時膜層厚度的增加,晶振頻率單調地線性下降,不會出現光學監控系統中控制信號的起伏,并且很容易進行微分得到沉積速率的信號。因此,在光學監控膜厚時,還得用石英晶振,石英晶體法來監控沉積速率,我們知道沉積速率穩定隊膜材折射率的穩定性、產的均勻性重復性等是很有好處和有力的保證。

石英晶體膜厚控制儀有非常高的靈敏度,可以做到埃數量級,顯然石英晶體的基頻越高,控制的靈敏度也越高,但基頻過高時晶體片會做得太薄,太薄的芯片易碎。

所以一般選用的石英晶振,貼片晶振片的頻率范圍為5~10MHz。在淀積過程中,基頻最大下降允許2~3%,大約幾百千赫。基頻下降太多振蕩器不能穩定工作,產生跳頻現象。如果此時繼續淀積膜層,就會出現停振。為了保證振蕩穩定和有高的靈敏度體上膜層鍍到一定厚度后,就應該更換新的晶振片。

此圖為膜系鍍制過程中部分頻率與厚度關系圖。

晶振離子刻蝕頻率微調技術及生產工藝報告

1.頻率微調方法

石英晶振的頻率是由石英晶振晶片的厚度以及電極膜的厚度決定的,為此,當調整此厚度就可以調整石英晶振的頻率。石英晶振的制作過程是先將石英晶片從石英晶體上按一定角度切下,然后按一定尺寸進行研磨,接著在晶片兩面涂覆金屬電極層,此時與目標頻率相差2000ppm~3000p0m,每個電極層與管腳相連與周圍的電子元器件組成振蕩電路,隨后進行頻率微調,使其與目標頻率的差可以減少到2ppm以下。最后加上封裝外殼就完成了。

石英晶振的頻率微調是對每個石英晶振邊測頻率,邊調整電極膜的厚度。使頻率改變,達到或接近目標頻率。電極膜厚的調整方法主要有兩種,真空蒸著法和離子束刻蝕法。

真空蒸著法是在石英晶振晶片的電極膜上用加熱蒸著的辦法繼續增加電極膜的厚度, 達到調整頻率的目的。這種方法結構簡單,易于控制。缺點是在石英晶振晶片表面產生多層電極膜,并且密著度會變差,當石英晶振小型化時,會使原來的電極膜和調整膜的位置發生偏移,使石英晶振的電氣性能降低。

離子刻蝕頻率微調法,是用離子束將電極膜打簿,調整石英晶振的頻率。因此,不會產生多層電極膜,也不會有電極膜和調整膜的位置偏移,石英晶振的電氣性能也不會降低。

2.離子刻蝕頻率微調方法

圖4-1是基于離子刻蝕技術的頻率微調示意圖,離子刻蝕頻率微調方法,當照射面積小于2~3mm2,在beam電壓低于100V以下就可獲得接近10mA/cm2的高電流密度的離子束,離子束的刻蝕速度在寬范圍內可進行調節。圖中采用的是小型熱陰極PIG型離子槍,放電氣體使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圓筒狀的陽極周圍安裝永久磁石,使得在軸方向加上了磁場這樣的磁控管就變成了離子透鏡, 可以對離子束進行聚焦。

熱陰極磁控管放電后得到的高密度等離子,在遮蔽鉬片和加速鉬片之間加高達1200V高壓后被引出。并且可以通過對熱陰極的控制調整等離子的速度。用離子束照射石英晶振,石英晶體的電極膜,通過濺射刻蝕使得頻率上升米進行頻率微調。在調整時,通過π回路使用網絡分析儀對石英貼片晶振的頻率進行監控,當達到目標頻率后就停止刻蝕,調整結束。

因為石英晶振與π回路之間用電容連接,離子束的正電荷無法流到GND而積聚在石英晶片上,使石英晶片帶正電荷。其結果不僅會使頻率微調速度降低,而且使石英晶片不發振,無法對石英晶振的頻率進行監控和調整。為此,必須采用中和器對石英晶片上的正電荷進行中和。

在進行離子刻蝕頻率調整時,離子束對一個制品進行刻蝕所需的時間為1~2秒, 而等待的時間約2秒,等待時間包括對制品的搬送和頻率的測量時間。在等待時間中, 是將擋板關閉的。如果在這段時間內,離子槍繼續有離子束引出,則0.5mm厚的不銹鋼擋板將很快被穿孔而報廢。為此,在等待時間內,必須停止離子槍的離子束引出。

可以用高壓繼電器切斷離子槍的各電源,除保留離子槍的放電電源(可維持離子槍的放電穩定)。這樣,在等待時間沒有離子束的刻蝕,使擋板的使用壽命大大增長。同是,出于高壓繼電器的動作速度很快,動作時間比機械式擋板的動作時間少很多,所以調整精度也可得到提高。

3.離子束電流密度

在圖4-1中,為了提高操作性,簡化自動化過程中的參數設定,只對beam電壓和放電電流進行控制,而放電電壓和Ar流量保持不變,加速電壓取beam電壓的20%。

圖4-2表示的是在不同的beam電壓下,隨著放電電流的變化,石英晶振的電極膜處(與離子槍加速鉬片的距離為25mm)所測得的電流密度。從圖中可以知道,對于不同的beam電壓,放電電流變化時,都有相對應的放電電流使得電流密度達到最大。本文說所的晶振離子刻蝕頻率微調就是采用了各不同beam電壓時的最大電流密度進行的。當設定好調整速度后,根據計算決定beam電壓,然后根據該電壓下最大的電流密度計算出放電電流。

4.離子刻蝕頻率微調加工工藝

晶振離子刻蝕頻率微調加工工藝與真空蒸著頻率微調有相似處也有不同處。首先,兩種頻率微調方法都必須在高真空環境下進行,因此在加工前都必須確認真空腔的真空度是否達到要求,一般都要求在1×103Pa以上。其次還必須確認真空腔的水冷設備沒有漏水現象,使用的真空泵需要用真空油時還要確認真空腔內沒有被油污染。接著還要保證石英晶振,石英晶體諧振器上沒有灰塵或臟污等異物附著,為了有效的控制異物,加工環境最好是5000級以下的凈化空間。離子刻蝕頻率微調加工除了要注意以上要求外,還必須注意到離子刻蝕后數秒內頻率的偏移問題,這個問題將直接影響到生產效率和合格率。

智能電子產品時代的到來改變了我們的工作,改變了我們的生活現狀,而這些都是電子零件的功勞.比如石英晶振,電感,貼片電容,傳感器,芯片,石英貼片晶振,電阻等等.億金電子專業生產石英晶振,石英晶體諧振器,石英晶體振蕩器,關于晶振的作用我們簡單概括,主要是為電路提供信號頻率.

晶振的作用是廣泛的,在如今的通信業,航空業,家用電器,漁業,網絡,電子產品等領域均有涉及使用.因此石英晶振分為插件式以及貼片式,并且分為多種封裝尺寸,滿足市場需求有源晶振具有更高品質,高性能,高精密等特點,億金電子同時代理臺產晶振,日系晶振以及歐美進口晶振品牌.關于晶振在不同產品中的作用以及分類等信息可以到億金行業新聞中查看.

晶振頻率標準的發展對于一個國家的經濟、科學與技術、國防和社會安全有著非常重要的意義。由于制造、交通運輸、通訊與信息技術的不斷迅猛發展,對時間和頻率測量的準確度和精確度要求也越來越高。導航、定位、大地測量、天文觀測、網絡授時和同步以及電網故障檢測中都需要高穩定度和準確度的晶振頻率標準。按照頻率標準的性能指標和應用領域來劃分,可以將其分為一級頻率標準(銫原子頻標)二級頻率標準(包括銣原子頻標和高穩石英晶體振蕩器)和其它頻率標準(包括除高穩石英晶體振蕩器以外的其他石英晶體振蕩器)。表11列出了常用頻率標準的準確度.

在各種高精度的頻率標準中,氫钅鐘中、銫鐘等都具有很好的長期和短期穩定度,但價格非常昂貴,一般用于國家授時實驗室,應用范圍非常有限。雖然銣鐘和高穩定度石英晶體振蕩器等二級頻標的頻率穩定度不如一級頻標,但價格低廉,體積較小,應用范圍非常廣泛。它們被廣泛用于通信、計量、應用電子技術、電子儀器、航空航天、雷達和因防軍工等各個領域,作為關鍵器件發揮著重要的作用。近年來由于通信業和軍工方面的發展和需求,我國精密石英晶體和原子頻率標準的需求也有了明顯的增長。

石英晶振頻率標準的三個基本技術指標是準確度、穩定度和老化率。晶振頻率標準和計時的精確度會受到科技發展水平的限制。影響頻率穩定度和準確度主要是溫度和老化,因此,國內外正在投入大量精力研究修正這些影響。下面詳細介紹這三種技術指標

1.晶振頻率準確度

用來描述頻率標準輸出的實際頻率值與其標稱頻率值的相對偏差。因為受頻率標準內在因素和外部環境(如溫度、濕度、壓力、震動等)的影響,實際石英晶振頻率值并不是固定不變的,而是在一定范圍內有起伏的值。計算表達式如下:

式中A為頻率準確度;fX為實際頻率值;fO后為標稱頻率為了得到準確的fX,至少應進行6次測量,采樣時間應該選擇相應的頻率穩定度影響可以忽略時的時間間隔。一般選擇的采樣時間為10s,使得在該時間內被測頻標的短期頻率穩定度比其準確度高出一個數量級。

2.晶振頻率穩定度

由于各種外界干擾,例如電子線路的熱噪聲,石英晶體諧振器內固有噪聲,器件的老化,環境條件的變化等,都會使石英晶體振蕩器的輸出頻率相對于標稱值發生波動,這種波動代表了輸出頻率的不穩定度。目前使用的頻率穩定度表征有兩種。即:頻域表征一相對頻率起伏的功率譜密度,它表現為信號的頻譜不純;時域表征一阿侖方差,它表現為頻率平均值的隨機起伏。二者在數學上是一對傅氏變換,因而是等效的。

實際的阿侖方差計算公式為:

式中f和f,分別為第i和第i+1次測量的頻率值;后為被測頻率源的頻率標稱值, m為測量的次數。

3.晶振老化率的表征和測量

單位時間內平均頻率的相對漂移量叫做漂移率。在石英晶體振蕩器中一般稱為老化率,而在原子頻標中一般稱為漂移率。大多數頻標經過足夠的時間預熱后連續工作,在一段不太長的時間內頻率的漂移呈現近似線性變化的特點。

老化率實用計算公式:

值;t為測量時序,i取1,2,3,…,N;fO為頻率源的標稱頻率;n為一天的取樣次數。

由于石英晶振頻率值隨時間的變化并不僅僅是線性的,石英晶體振蕩器往往是對數老化規律或倒數老化規律,所以從理論上講,每天測量的點數n越多越好。但是從實際測量和計算的方便來講,又希望n取得越少越好。通過大量的實驗,表明每天測量的次數n取兩次就可以了。經簡化后,每天測量的次數n取兩次,測量H天的日老化率KDH的基本簡化公式可以寫為:

原子頻標的日漂移率遠遠小于石英晶體振蕩器,因此一般按月漂移率給出。由于漂移率呈線性規律,所以月漂移率可以用日漂移率來推算。也就是:

由于高穩定度石英晶體振蕩器的老化率從更長的時間刻度來觀察呈現了隨著加熱時間的延續越來越小的特點,所以國外在考察高穩定度石英晶體振蕩器的年老化率時常常是在日老化率的基礎上乘以系數100。

晶振作為測量元件時的重要性能參數

石英晶振本身具有很多性能參數,除了前面所提及的串聯諧振頻率、并聯諧振頻率外,還有制造公差、拐點溫度等,已經有很多文獻對此作了論述但對于測量來說,選用石英晶體的重要原因是因為它的高頻穩定性和極小的振幅。所以本文只對晶體的品質因數、頻率一電流特性、頻率一溫度特性進行了論述。

  晶體的品質因數Q是晶體的最重要參數。在一定程度上,當其他條件相同時,Q值越高晶體振蕩器的頻率穩定度越高,石英晶振晶體的品質因數Q是由晶體的動態參數決定的,即：

其中ω為測試系數。

晶振的品質因數通常不作規定,對于標準部件,Q值通常在20000-200000之間,精密晶體可高達5×10°,這比傳統的微懸臂的Q值要高100-1000倍。

石英晶體諧振器的頻率一電流特性,就是激勵電平和諧振頻率的關系,它是由石英晶振的物理特性決定的。激勵電平通常以晶振的耗散的功率、流過晶振的電流以及晶振兩端的電壓來量度,晶振電流的變化使其串聯諧振頻率發生交化。石英晶振的諧振頻率相對變化與晶振電流的關系,可以用下面的近似關系表示：

其中D是振的電流常數

從上述關系式可以看出,當激勵電平增大時,產生了以下影響:(1)頻率產生了漂移,長期穩定性變壞。石英晶振晶振的彈性常數發生了變化,因此引起了頻率的漂移,隨著晶振的激勵電流增高,晶振的頻率穩定性顯著下降。(2)晶振溫度增加。當晶振的激勵電平過高時,使得石英貼片晶振被加熱到熱平衡的溫度也引起了頻率變化。(3)產生了寄生振蕩。(4)等效電阻加大。內部分子運動加劇,使得等效電阻加大,Q值下降。

在實際測量中,當激勵電流過大時,石英貼片晶振振蕩的幅值過大,導致測量的精度下降,同時不易控制樣品表面與針尖之間的距離,所以一般不能采用較高的激勵電流。但是激勵電平也不能過小,否則由于噪聲電平的限制,使瞬態穩定性變壞,這樣獲得的圖像質量就比較差。

晶振的另外一個值得注意的參數是晶振的頻率一溫度特性,所謂晶振的頻率一溫度特性就是石英晶振的諧振器的頻率隨溫度變化而變化的特性。晶振的工作溫度變化時,晶格變形,從而使得其串聯諧振電路發生變化。石英晶體諧振器在溫度較窄的范圍中,具有較小的溫度系數,這就是說頻率受溫度的變化的影響比較小。但隨著溫度變得較低(<50°C)和變得較大時(>80°C)時,石英諧振器的頻率隨著溫度的變化有較大的變化。在國外的文獻中已經有報道將晶振放在真空、低溫、強磁場的環境下進行測量,這時晶振的頻率將與常溫時有

明顯的不同,而且石英晶體諧振器切型不同,晶振頻率的變化方向也不同,所以在實驗室應該對測試溫度和環境加以控制。同時由于測試環境的變化,如何保持儀器的穩定性, 也是一個值得注意的問題。

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石英晶振主要用在電路中作穩頻元件。為了克服傳統的掃描探針顯微鏡在應用中的不足,本文采用石英晶振作為微力傳感器來取代傳統的微懸臂和位移檢測裝置。而石英晶振有兩個優點：

1、壓電效應,從而使石英晶振免去了中間轉化環節,形成一個獨立的直接和即時的微力測量單元。

2、空氣中極高的品質因素,從而使最小可測力梯度減小,傳感器的靈敏度提高。

2.1晶振作為測量元件的物理特性研究

石英晶體是六棱柱而兩端呈角錐形的結晶體,其化學成分是Si02,下圖所示是石英晶振晶體的坐標軸系：

通常將通過兩頂端的軸線稱為光軸(Z軸),與光軸垂直又通過晶體切面的六個角的三條軸線稱為電軸(X軸),與光軸垂直又和石英晶振晶體橫切面六邊形的六個邊垂直的三條軸線稱為機械軸(Y軸),X軸、Y軸、Z軸統稱為晶體的坐標軸系。在同一方向上,石英晶振晶體的性質是完全相同的。

石英晶體是一種各向異性的晶體,它具有正壓電效應。沿某一機械軸或者電軸施加壓力,則在垂直于這些軸的兩個表面上就產生了異號電荷,其值與機械壓力產生的機械形變成正比,若施以張力,則表面上的電荷與受壓時的符號相反。造成這種結果的原因是貼片晶振,石英晶振晶體的晶格在壓力下變形,導致電荷分布不均勻。石英晶體還具有逆壓電效應,如果在石英晶體兩個面之間加一電場,則晶體在電軸或機械軸方向上就會延伸或壓縮,延伸或壓縮量與電場強度成正比。

如果將石英晶體置于交變電場中,則在電場的作用下,貼片晶振晶體的體積會發生周期性的壓縮或拉伸的變化,這樣就形成了晶體的機械振動,晶體的振動頻率應等于交變電場的頻率,在電路中也就是驅動電源的頻率。當石英晶體諧振器振動時,在它的兩表面產生交變電荷,結果在電路中出現了交變電流,這樣壓電效應使得晶體具有了導電性,可以視之為一個電路元件。石英晶振晶體本身還具有固有振動頻率,此振動頻率決定于晶體的幾何尺寸、密度、彈性和泛音次數,當石英晶振晶體,有源晶振的固有振動頻率和加于其上的交變電場的頻率相同時,晶體就會發生諧振,此時振動的幅值最大,同時壓電效應在石英晶振晶體表面產生的電荷數量和壓電電導性也達最大,這樣石英晶體諧振器,石英晶振晶體的機械振動與外面的電場形成電壓諧振,這就是石英晶體作為振蕩器的理論基礎。

石英晶體的電氣特性可用圖中所示的等效電路圖來表示,由等效電阻R1、等效電感L1和等效電容C1組成的串聯諧振回路和靜態電容Co并聯組成,靜態電容C0主要由貼片晶振,有源晶振,石英晶體的尺寸與電極確定,再加上支架電容組成。等效電感L1和等效電容C1由切型、石英晶體片和電極的尺寸形狀來確定。等效電阻R1是決定石英晶振Q的主要因素,是直接影響石英晶體諧振器工作效果的一個重要參數。R1不僅由切型、石英晶體片形狀、尺寸、電極決定,而且加工條件、裝架方法等對其影響也很大。因此,同一型號,同一頻率的若干產品其Q值也相差很大。

在等效電路中,L1和C1組成串聯諧振電路,諧振頻率為:

通常石英晶體諧振器的阻抗頻率特性可用圖2.3表示。此處忽略了等效電阻R1的影響,由圖可見,當工作頻率f時,晶體呈容性;當工作頻率在f0與f之間時,晶體呈感性;當工作頻率f>f時,晶體又呈容性。晶體在晶體振蕩器主振蕩級的振蕩電路呈現感性,即工作頻率在f于f之間。

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