石英晶体谐振器的简单介绍（1）

发布时间：2025-12-29 15:44

石英晶体振荡器的简单介绍（1）

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石英晶体谐振器的简单介绍（1）

基本内容：为什么叫石英？压电效应、运动模式、谐振器振动幅度的分析、石英片的谐振振动、石英谐振器的泛音响应、寄生模与温度的关系、石英谐振器的数学描述、无限大晶体厚度切片谐振器、石英完全各向异性、零温度系数的石英切、SC 切于 AT 切的比较、SC 切模谱图、SC切 b 模和 c 模的温度—频率特性、振动位移、阻抗与电极层厚度、谐振器的封装、等效电路、谐振器等效电路、石英振荡器的频率-温度补偿特性、谐振器的电抗-频率特性、等效电路参数关系、Q 值、衰减时间、线宽和 Q 值、决定谐振器 Q 值的因素、谐振器的制造工序、晶体板的 X射线定向、污染控制、石英技术的重大事件、手表中的石英谐振器、石英调谐音叉、石英手表、横场谐振器、无电极式（ BVA）谐振器。

1. 为什么叫石英？

石英是具有以下一系列特性的唯一材料：

• 压电特性（ “压力—电的特性”）

• 具有零温度系数切型

• 具有应力补偿切型

• 低损耗（即高 Q 值）

• 容易加工。在任何物质中的可溶性低，除了氟化物的腐蚀外，在“正常”条件下，坚硬而不易碎

• 在自然界中很丰富，易于大量生长，成本低，纯度和完整性均较高。在人工生长的单晶石英中，年产量在 3000 顿以上，生长数量仅次于硅（到 1997 年为止，年增长是硅的 3 到 4 倍）。

2. 压电效应

压电效应表明了石英晶体的力学性质和电学的耦合。

直接压电效应由居里兄弟在 1880 年发现的。他们指出，当把一重物放在一石英晶体上时，在晶体表面上出现了电荷，电荷量和重物的质量成正比。 1881年，用图解说明了反压电效应；当把电压加到晶体上时，由于压电效应引起的晶格应变而使晶体产生变形。当把电压反向时，应变也反向。因此，压电效应起到了电路与晶体机械特性之间的耦合作用。在适当条件下，“ 良好”的压电谐振器能够对振荡器电路起稳频的作用。

在 32 种晶体中，有 20 种具有压电效应（但在 20 种中，只有很少几种有用）。压电晶体没有对称中心，当力使晶格形变时，晶体中正负电荷的重心可能被分开而产生表面电荷。图中所示为晶体压电效应的一个例子（根据 Kelvin 的定性模型）。每个硅原子用 +号表示，每个氧原子用—号表示。当受到应变而使晶体沿 Y 方向伸长时，负电荷就向左移动，而正电荷就向右（沿 X 轴）移动当石英晶体有对称中心，即石英晶体时各向同性时，就不会产生压电效应。然而电致伸缩存在于所有的电介质固体中。在应用电场中的次变形（尽管压电效应是线性的；随着电场的反转，变形也会反转）偏电致伸缩，弱电场的变化重叠于恒定分量，这个现象与线性压电等价；

这个技术能被用于非压电石英晶体，例如硅，但耦合依赖于偏轴。

在石英中，五种应变分量均由电场产生。下面所示模型可以由适当位置和形状的电极所激励。由场 Y 分量产生的相对与 Z 轴的切应变可应用与 AT、 BT 和 SC 切的旋转 Y 切系列。压电效应是线性的。电场的反转引起应变的反转，例如机械变形。机电（也叫压电）耦合系数 k 是压电材料的一个重要特性； k 的范围在 0 和 1 之间，并且是无量纲的，即对于 AT 切石英晶体 k =8.8% ，而 SC 切石英晶体 k = 4.99%。这个系数能确定压电转换功效，并且是重要设备的决定性因素，比如滤波器带宽，介入损失，定位和谐振器临界频率的间隙（即连续谐振到反共振频率间隙）。

3. 运动模式

上图是体波（ BAW）的运动模式。例如，AT 切和 SC 切谐振器是厚度剪切振动模式。

在高于 100MHz 时，泛音部件经常被用于有选择的谐波振动模式（比如三阶泛音或五阶泛音）。高于 100MHz 的基谐模部件可以由化学抛光（扩散控制湿法腐蚀），等离子腐蚀和离子研磨技术。在低于 1MHz ，可以用来做音叉，X-Y 和 NT 删（弯曲模式），X 切（延伸模式），CT 切和 DT 切模式（面切变模式）部件。由于音叉尺寸小和便宜，使其在低频部件中占有优势。

声波在固体中传播的速度一般为 3000m/s（光速的 10-5倍）。比如，在 AT 切石英晶体中剪切波在沿剪切方向传播的速度为 3320m/s；基谐模频率为 v/2h ，其中 v 是声波的速度， h 是板的厚度。（板的厚度为半波长。）

4. 谐振器振动幅度的分析