石英晶振的演變是在1880年,柯里兄弟在實(shí)驗(yàn)中證明了壓電現(xiàn)象的存在,實(shí)驗(yàn)是用從各種晶體中切割出的四邊形板進(jìn)行的.雖然他們使用四邊形板的原因沒(méi)有被記錄下來(lái)(據(jù)我所知),但人們認(rèn)為這只是一個(gè)簡(jiǎn)單的權(quán)宜之計(jì).

術(shù)語(yǔ)"條形諧振器","AT條形諧振器"和"BT條形諧振器"通常用于描述薄型表面安裝晶體單元."條形"和"諧振器"這兩個(gè)詞意味著它們從根本上不同于傳統(tǒng)的晶單元.然而,沒(méi)有這樣的區(qū)別;術(shù)語(yǔ)"諧振器"同樣可以用來(lái)描述傳統(tǒng)的圓形石英平板晶體."諧振器"簡(jiǎn)單地說(shuō)是"一種裝置或系統(tǒng),如壓電晶體或電路,能夠通過(guò)另一個(gè)系統(tǒng)中的振蕩而產(chǎn)生振蕩"(韋伯斯特新世界詞典,第三學(xué)院版,1986年)."條帶"一詞確實(shí)意味著矩形形狀,但是由于許多表面貼裝貼片晶振封裝容納正方形諧振片,在本討論中,我們將使用術(shù)語(yǔ)"四邊形",而不是"正方形"和"矩形"

壓電諧振器可以控制振蕩器頻率的發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造了晶體單元市場(chǎng),起初主要由業(yè)余無(wú)線電操作員組成.隨著晶體控制的好處越來(lái)越受到人們的重視,商業(yè)電臺(tái)轉(zhuǎn)換了他們的設(shè)備,市場(chǎng)迅速擴(kuò)大.在晶振單元制造的最初幾年,幾乎所有的商用單元都是用四邊形板制造的,因?yàn)檫@種板相對(duì)容易成形.

四邊形板的使用一直延續(xù)到第二次世界大戰(zhàn)中期軍方采用石英晶振控制.許多軍用和商用的盤(pán)子都很大—每邊一英寸或更大.在戰(zhàn)爭(zhēng)年代,對(duì)晶體單位需求的增加使得石英成為越來(lái)越有價(jià)值的商品;對(duì)更有效利用的需求推動(dòng)了替代(較小)板設(shè)計(jì)的發(fā)展.然而,四邊形板的使用一直延續(xù)到20世紀(jì)60年代初,尤其是在"火腿"無(wú)線電應(yīng)用中.

晶體行業(yè)現(xiàn)在似乎已經(jīng)走上了一個(gè)完整的循環(huán):在表面貼裝器件對(duì)更小體積晶振尺寸封裝不斷擴(kuò)大的需求的驅(qū)動(dòng)下,四邊形板已經(jīng)重返市場(chǎng).盡管技術(shù)有所進(jìn)步,四邊形板仍然呈現(xiàn)出困擾當(dāng)今制造商的特性,就像它們挑戰(zhàn)過(guò)去一樣.今天的大部分需求是更高頻率的切割晶體.因此,我們將只討論那些,重點(diǎn)放在AT切割晶體上.

取向

圖1.0顯示了人工培養(yǎng)石英石的俯視圖.Y軸是機(jī)械軸,如圖所示從一端延伸到另一端.Y形切割板從石頭上切割下來(lái),其厚度尺寸與Y軸平行.Y形切割板的頻率主要由它們的厚度決定.然而,Y形切割板顯示出不希望的特性,使得它們不適合商業(yè)使用,因此今天使用的大多數(shù)板都是以稍微旋轉(zhuǎn)的角度切割的,導(dǎo)致板具有更希望的,可再現(xiàn)的屬性(最重要的是頻率穩(wěn)定性與溫度的關(guān)系).從圖中可以看出,最常見(jiàn)的兩種單獨(dú)旋轉(zhuǎn)的Y形切口是AT形切口和BT形切口,它們?cè)诜较蛏蠋缀醣舜讼鄬?duì).如下所述,這種方向上的差異導(dǎo)致操作特性上的顯著差異.

四邊形板:"寄生"頻率和"耦合模式"

圖2.0顯示了貼片石英晶體板中可能誘發(fā)的各種振動(dòng)模式.AT和BT板主要在厚度剪切模式下振動(dòng).然而,重要的是要理解,任何石英板都可以以一種或多種圖示模式振動(dòng),甚至以?xún)煞N或多種模式的某種組合振動(dòng)."其他"類(lèi)型的振動(dòng)可由電,機(jī)械,聲學(xué),熱或這些因素的某種組合引起;這些誘導(dǎo)響應(yīng)通常被稱(chēng)為"耦合"或"不需要的"模式.更復(fù)雜的是,只要厚度剪切模式通電,任何單旋轉(zhuǎn)厚度剪切諧振器也將在面剪切模式下振動(dòng).

AT板的厚度剪切頻率響應(yīng)可以用三位數(shù)字系統(tǒng)來(lái)描述:第一位數(shù)字表示穿過(guò)板厚度的半波數(shù),第二位數(shù)字表示沿板的X軸的環(huán)路數(shù),第三位數(shù)字表示沿Z軸的環(huán)路數(shù).泛音總是基頻的奇數(shù)倍,所以使用這個(gè)術(shù)語(yǔ),模式1,1,1；3,1,1；5,1,1；等等.,分別代表主模式,三次諧波和五次諧波泛音.

具有直邊和正方形邊緣的共振板被理想地成形為反射波并便于駐波的產(chǎn)生.不期望頻率的波的產(chǎn)生會(huì)引起問(wèn)題;在厚度剪切板的情況下,"寄生"頻率響應(yīng)和"耦合模式"特別值得注意.

對(duì)于四邊形AT切割板,近似頻率的方程為:

其中m,n和p是整數(shù),r是石英的密度(2.65),T是厚度,L是長(zhǎng)度,W是以厘米為單位的板的寬度;C66,C11和C55分別是石英在X,Y和Z方向上的彈性常數(shù).

在上面的等式中,如果m=n=p=1,那么所記錄的頻率是主模式頻率,或者板在厚度剪切模式下振動(dòng)的最低頻率.理論上,這種板在給定的尺寸下不會(huì)有"虛假"的響應(yīng).然而,在使用四邊形板時(shí),要達(dá)到這一條件非常困難;它們通常顯示一個(gè)頻率范圍,描述為f1,3,1或f1,3,3或其他整數(shù)組合.因此,該板不僅在主模式下振動(dòng),而且在幾個(gè)"虛假"頻率下振動(dòng).四邊形板傾向于表現(xiàn)出大幅度的"寄生"頻率,并且它們的"寄生"頻率傾向于接近主模式,使得這些"寄生"頻率特別成問(wèn)題.[注:使用"假"一詞來(lái)描述有源晶振單元制造早期的基本日期以外的頻率.當(dāng)在被認(rèn)為不能或不應(yīng)該存在的頻率上觀察到強(qiáng)烈的振動(dòng)時(shí),由于缺少更好的術(shù)語(yǔ),"虛假"一詞被使用.現(xiàn)在已經(jīng)知道,這些頻率是自然發(fā)生的,可預(yù)測(cè)的厚度剪切頻率響應(yīng)決不是"假的"盡管如此,這一術(shù)語(yǔ)仍在廣泛使用,而且可能會(huì)持續(xù)一段時(shí)間;在本次討論中,我們將繼續(xù)用引號(hào)將該術(shù)語(yǔ)括起來(lái).]

"虛假"頻率響應(yīng)的幅度和間隔(與主模式)在某種程度上可以通過(guò)仔細(xì)選擇板尺寸和/或斜切板邊緣來(lái)控制.然而,一般來(lái)說(shuō),使用帶有圓形電極的圓形石英板使得分離和抑制"虛假"響應(yīng)更加簡(jiǎn)單.使用圓形空白消除了頻率方程中的一個(gè)變量;近似頻率由以下公式得出:

其中除了D(以厘米為單位的板的直徑)之外的所有項(xiàng)都如等式1所示.此外,圓板的使用消除了四邊形板的直邊,這往往會(huì)增強(qiáng)"虛假"頻率的振幅.因此,即使使用圓板也不能完全消除"虛假"響應(yīng),它們的振幅通常很小,也沒(méi)有那么麻煩.

應(yīng)該注意的是,兩個(gè)方程只產(chǎn)生近似頻率,部分原因是板塊不是無(wú)限的.然而,它們確實(shí)能夠估計(jì)"虛假"響應(yīng)的頻率,更重要的是,它們與主模式的分離.仔細(xì)選擇電極直徑和使用的金屬量,在一定程度上可以控制和抑制"虛假"響應(yīng).

除了"虛假"頻率響應(yīng)之外,四邊形板還可能具有其他振動(dòng)模式,這些振動(dòng)模式的頻率接近或等于主模式或期望模式.這些"耦合模式"的頻率是側(cè)板尺寸的函數(shù);因此,必須仔細(xì)選擇要使用的板的尺寸,以最小化或消除"耦合模式"通常只有幾千赫的變化需要尺寸的顯著變化.在第二次世界大戰(zhàn)期間,精心制作的"安全"尺寸與頻率的關(guān)系表被開(kāi)發(fā)出來(lái),并在此后數(shù)年中一直被普遍使用.