KVG石英晶體的結(jié)晶形成XMP-7135-5E-18pF-20MHz

石英作為礦物是所有類型石英諧振器,石英濾波器和石英振蕩器的原料。大部分地殼由天然石英構(gòu)成,其純粹形式也稱為深石英或α石英。石英是由硅和氧原子構(gòu)成的完美對稱的理想晶格。這種晶格使石英具有重要的特性,即當(dāng)對晶體施加機(jī)械壓力時,可以在石英晶振晶體的兩端測量電壓。同樣,當(dāng)從外部施加電壓時,晶體會變形。這種行為使其成為在電路中以振動夸克的形式使用的理想原材料。以前在石英的生產(chǎn)中使用礦物開采石英,山水晶,現(xiàn)在幾乎完全使用人工制造的石英,其純度極高。例如,在每只腕表(石英表)中,一小塊石英材料確保秒針每秒可靠且始終向前滑動一次。

石英晶體是具有極軸但沒有對稱中心的晶體。其中包括Z。B.α-石英或硫化鋅。

通過外部施加的電場,可以實現(xiàn)整個壓電晶體的變形,這有時被稱為反向壓電效應(yīng)。

壓電效應(yīng)可以通過施加壓力時硅和氧離子的正電荷和負(fù)電荷的轉(zhuǎn)移來解釋,從而產(chǎn)生電偶極矩:

當(dāng)帶有極軸(即宏觀偶極矩)的絕緣體被帶入電場時,電荷在其內(nèi)移動并發(fā)生機(jī)械變形。相反,機(jī)械變形可以移動或?qū)R電荷,從而產(chǎn)生電極化,即電場。壓電場E以及端面之間產(chǎn)生的應(yīng)力U與相對變形ε=Δx / x成正比:

或 在這里,δ被稱為壓電系數(shù),它與材料有關(guān)。變形是由于在場方向上彼此相鄰的偶極子相互吸引。這些力使相鄰層彼此接近,直到彈性反力補(bǔ)償電力。

電荷發(fā)生在極軸的末端,并通過它們的平面上的變形相互轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致總中性晶體的邊界表面產(chǎn)生表面電荷。 因此,晶體通過變形經(jīng)歷電極化,這與電場中電介質(zhì)的極化相對應(yīng)。

壓電效應(yīng)的性質(zhì)在很大程度上取決于力或電壓作用于石英晶體的方向。此外,環(huán)境溫度根據(jù)方向有不同的強(qiáng)烈影響?？梢灾圃觳煌氖⒕w,具有不同的特性。

定義晶體軸

最常見的切割是單旋轉(zhuǎn)AT切割(theta=0°)和雙旋轉(zhuǎn)SC切割(theta=22°)。在這兩種情況下,θ角大約是34°。

還有其他雙旋轉(zhuǎn)切割,如MSC,IT,FC,LD-用于特殊應(yīng)用。

晶體諧振器的活性組件是一個機(jī)械振動盤(“晶體元件”),由單晶石英切割而成,與晶體學(xué)軸精確對齊。諧振器在高真空中涂覆鋁,銀或金電極,并通過熱焊或電阻焊將其焊接到合適的外殼中。

元件的物理尺寸及其與軸的對齊方式?jīng)Q定了共振頻率、初始精度、電氣特性和溫度系數(shù)。

晶體的頻率與元素的厚度成反比。對于機(jī)械加工,其結(jié)果是晶體在基本振動中振蕩的頻率上限約為50 MHz。

為了在基本振動中實現(xiàn)更高的頻率,也存在化學(xué)估計值。倒置的Mesa晶體,其中諧振器的中心部分被估計為只有幾微米厚。

許多不同的參數(shù)會影響最終的諧振器特性。元件的厚度和直徑,電極直徑,電極材料,還有支架,密封方法等。

晶體元素可以平行或輪廓(與相位,平面凸或雙凸)制成。

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輪廓是必要的,以避免康德效應(yīng)?？梢栽诰w元件的一側(cè)或兩側(cè)形成彎曲半徑,以便將能量集中在諧振器的中心。

高頻晶體振蕩在厚切爾振動中,可以在基底或奇數(shù)上丘腦模式中激發(fā)。

順子晶體的動態(tài)容量C1n隨著順子n的順序下降,大約由 因此,高原晶體中的CO/C1比率遠(yuǎn)大于在基色中振蕩的晶體,并且拉伸范圍減少了約n3的因子。因此，VCXO振蕩器中使用的石英,需要大范圍的拉伸,在基本色調(diào)模式下工作。

所有晶體諧振器都會產(chǎn)生一種主要模式,即二次振動,以及不需要的振動模式,即高于諧振頻率的二次諧波模式。

除了常用的C模式外,還有另一種狄更斯模式,即B模式。它的頻率比C模式高約10%,動態(tài)阻力通常比C模式低,但溫度系數(shù)較大。有時需要過濾此模式,以便振蕩器可以使用C模式。

其他不需要的模式包括剪切,彎曲,厚度和扭轉(zhuǎn)振動,它們可能發(fā)生在所需的共振頻率之上和之下。通過正確的示波器設(shè)計,不需要的模式很少會造成問題。接近諧振頻率的不需要的模式會影響石英晶體振蕩器的啟動行為,或在運(yùn)行期間導(dǎo)致頻率偏移到錯誤的頻率。

其他不良影響是由不需要的模式引起的溫度上的頻率和電阻的崩潰。 次要模式通常表示為不和諧模式的共振阻抗與主要模式阻抗的比率。

在諧振頻率附近,石英單位由電動雙極表示。來自更換圖像的電路模擬了振動夸克的電行為。

CO分流容量:電極,石英支架,電線和外殼之間的容量。典型 1-50 pF 動態(tài)容量C1:代表機(jī)械彈性。典型 10-12 – 10-18 F 動態(tài)電感L1:表示機(jī)械慣性。典型 10-3 – 10-5 H 動態(tài)阻抗R1:機(jī)械損耗。典型值 1 - 105 Ω

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振動夸克的拉伸能力是將晶體單元的頻率從自共振頻率(fs)改變?yōu)榧す夤舱耦l率(fL)的能力。除了替換電路的組件外,電子電路中還必須提供一個外部容量,稱為負(fù)載容量CL,以便晶體可以改變其諧振頻率。 負(fù)載能力的降低導(dǎo)致頻率的增加,而負(fù)載能力的增加導(dǎo)致頻率的降低。 當(dāng)負(fù)載能力成列或與晶體平行時,諧振頻率相應(yīng)地移動:

和諧振時的阻力變?yōu)?

振動石英的共振頻率通常取決于石英的溫度。AT和SC石英的溫度特性由三階拋物線描述。 然后可以描述頻率的相對變化:

與MIT Ti是轉(zhuǎn)折點的溫度。

頻率-溫度特征線主要由石英的切割角決定。對于給定的截面,Ai 是隨著 Theta 角度變化最大的參數(shù)。Ci幾乎是恒定的,而Ti在AT截面為+25°C至+35°C,SC截面為+85°C至+95°C,具體取決于晶體元件的尺寸。

由于SC截面的臨界點接近90°C,因此非常適合用于爐振蕩器,因為80°C的頂部反轉(zhuǎn)點導(dǎo)致頻率對溫度的依賴性非常低。此外,SC切割晶體對機(jī)械和熱應(yīng)力不太敏感,與AT切割相比,老化程度更低,性質(zhì)更高。

老化是振動夸克的固有頻率隨時間的變化。它通常可以表示為逆對數(shù)函數(shù)。老化受制造工藝(特別是緊固技術(shù))、老化、振蕩器設(shè)計和環(huán)境條件的影響。

通過將金屬電極施加到石英材料上,振動夸克的總質(zhì)量也隨之改變其自身頻率。由于氧化效應(yīng)或外來物質(zhì)附著在電極材料上,電極質(zhì)量可能會隨著時間的推移而進(jìn)一步變化。石英材料和膨脹金屬層的表面形成多孔表面,很容易將異物附著在上面。這種效應(yīng)可以通過在石英外殼中填充氮氣和氫氣的惰性氣體混合物來減輕。然而,例如,石英軸承上的石英粘合劑的排氣可能會導(dǎo)致時間相關(guān)的老化效應(yīng)。

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作用于石英的機(jī)械力(機(jī)械應(yīng)力)也會導(dǎo)致衰老效應(yīng)。石英晶振晶體本身由高度有序的晶格組成。制造過程中的加工過程,如鋸,研磨或拋光,會部分?jǐn)_亂這些晶格,從而改變石英材料的物理特性。隨著時間的推移,晶格中的松弛效應(yīng)會消除這些缺陷或晶格錯誤,從而導(dǎo)致頻率變化(老化)。此外,將石英懸掛在外殼中會產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,石英材料必須適應(yīng)。石英軸承,導(dǎo)電膠和石英的連接在操作過程中越來越匹配,在一定的輸入時間后,只檢測到諧振頻率的微小變化,并保持接近穩(wěn)定的狀態(tài)。

振動夸克在第一年的典型老化值是: 已 電阻焊接外殼:1-5 ppm/a 冷焊外殼:0.05 – 1 ppm/a

電平依賴性是共振頻率對通過振動夸克傳導(dǎo)功率的依賴性,通過改變電平,共振和相位曲線會發(fā)生變化。通常,諧振頻率與功率之間存在線性依賴關(guān)系,其影響大約為 10-9/μW,對于 SC 截面中的石英,其影響通常小于 AT 截面。特別是當(dāng)水平隨著時間的推移而波動或偏離時,會出現(xiàn)問題。

一般來說,應(yīng)始終在其設(shè)計和制造的水平下運(yùn)行。較高的控制電平產(chǎn)生不需要的振動模式,導(dǎo)致頻率溫度特征線的嚴(yán)重惡化,加速老化,并可能由于諧振器過熱而改變頻率。通過過載完全破壞石英也是可能的。

活動點差的特點是偏離三階頻率-溫度曲線。特別是對于TCXO晶振的晶體,崩潰會導(dǎo)致問題,因為它們在很寬的溫度范圍內(nèi)運(yùn)行。 活動點滴是由機(jī)械連接引起的不良模式引起的。在這里,兩種不同的模式具有不同的溫度行為,在給定的溫度下交叉。在這一點上,振動能量部分地從所需的模式轉(zhuǎn)移到不需要的模式。 入射受諧振器設(shè)計、控制電平和振蕩器電路條件的影響。