从石英晶体的材料到驱动功率再到振动模式作何解释
来源：http://www.hneyq.com 作者：亿金电子 2019年07月19
使用石英为震荡源的产品主要有石英晶体谐振器、石英晶体振荡器.主要特点具有高稳定性(年老化率小于+/-3PPM)、高Q(质量因子)值、低功耗、小体积、易于使用.一般石英晶体谐振器的频率可从数百赫兹至几百兆赫兹.
晶振主要应用于通讯、航空航天、家用电器、数字电视、影音播放、钟表,计算机业的微处理机、微电脑、终端机,量测设备、自动控制、电话、导航等领域.下面从石英晶体的材料到驱动功率再到振动模式为大家作一个全面的分析,有助于广大用户更好的使用晶振产品.
振动模式
同是AT切的晶体芯片,在振动模式上又有基频(FUND),三次泛音,五次泛音等之分.小型SMD石英晶体谐振器而言,5次泛音很少,3次泛音一般在40M以上时才会少量生产.同一频率的石英贴片晶振,3次泛音的厚度是基频的3倍,例如鸿星晶振的48MHz三次泛音的厚度约为0.104mm(与16MHz基本波的厚度相同),48MHz基本波晶振的厚度约为0.034mm.在设计芯片厚度时,AT切的芯片的厚度与频率,及振动模式有关,而与芯片的尺寸大小无关.做成成品后的AT切基频石英晶振,AT切3泛音晶体与BT切晶体可以通过观察其C0/C1值,TS值,电阻值及TC特性来区分.
石英芯片
石英芯片主要有方片(9.9*9.9),圆片(φ8.70-φ5.50),目前应用最广泛的是条片,条片的主要尺寸有：
各种切型中目前较被广泛应用之切型为AT、BT、DT.其他切型还有 CT、GT、NT、ET、FC、SC、LC等,石英产品一般是AT切,BT切产品一般出现在频率30M以上的产品中.
石英材料(水晶)
石英产品主要是利用石英材料(水晶)的压电效应制成的电子原件和器件,压电效应是一种机电能量互换的现象,压电效应分为正压电效应和逆压电效应,正压电效应是以机械应力及应变(形变)作用而使物体产生电荷或电压输出.逆压电效应是以电能输入使之产生机械能或位移(形变)的输出.如果把交变电压施加到石英芯片两个电极之间,当交变电压的频率与石英芯片固有频率一致时,通过逆压电效应,芯片便产生机械振动,同时又通过正压电效应而输出电信号.石英材料的压电效应是有方向性的,只有在电轴方向才具有压电效应.石英有天然石英和人造石英.天然石英和人造石英均为多面体形状.目前电子元器件使用的主要是人造石英材料.主要成分为氧化硅之结晶体SiO2.
驱动功率(Drive Level)
激励功率的大小直接影响石英晶体谐振器的性能,所以电路设计者一定要严格控制石英谐振器在规定的激励功率下工作,以便充分发挥石英谐振器的特性激励功率一般以微瓦为单位micro Watt,近几年石英晶体生产技术大幅提升加上产小型化与低功耗需求的提升已不需要提供过高的驱动功率.
功率偏小对于长期稳定有利,功率稍大对于短期温度有利.
激励功率太大:
石英片振动强,振动区域温度升高,石英片内产生温度梯度,会使频率稳定度降低；功率过大时由于机械形变超过弹性限度而引起永久性的晶格位移,使频率产生永久性的变化,甚至有时会把石英片振坏；功率过大会使等效电阻增加(一般阻抗10~100奥姆),电极与接着材料的接口恶化,Q值下降,电阻温度特性和频率温度特性变得不规则；激励功率过大容易激起寄生振荡,同时还会使老化变大.
激励功率太低:
会使信号杂音比变小而影响短期稳定度,石英晶体谐振器不易起振,影响工作的稳定和可靠性,所以使用者应根据不同的要求严格控制激励功率；更不能为了增大输出而随意提高激励功率.
晶振主要应用于通讯、航空航天、家用电器、数字电视、影音播放、钟表,计算机业的微处理机、微电脑、终端机,量测设备、自动控制、电话、导航等领域.下面从石英晶体的材料到驱动功率再到振动模式为大家作一个全面的分析,有助于广大用户更好的使用晶振产品.
振动模式
同是AT切的晶体芯片,在振动模式上又有基频(FUND),三次泛音,五次泛音等之分.小型SMD石英晶体谐振器而言,5次泛音很少,3次泛音一般在40M以上时才会少量生产.同一频率的石英贴片晶振,3次泛音的厚度是基频的3倍,例如鸿星晶振的48MHz三次泛音的厚度约为0.104mm(与16MHz基本波的厚度相同),48MHz基本波晶振的厚度约为0.034mm.在设计芯片厚度时,AT切的芯片的厚度与频率,及振动模式有关,而与芯片的尺寸大小无关.做成成品后的AT切基频石英晶振,AT切3泛音晶体与BT切晶体可以通过观察其C0/C1值,TS值,电阻值及TC特性来区分.
石英芯片主要有方片(9.9*9.9),圆片(φ8.70-φ5.50),目前应用最广泛的是条片,条片的主要尺寸有：
| 芯片尺寸 | Hosonic晶振规格 | 芯片尺寸 | Hosonic晶振规格 | 芯片尺寸 | Hosonic晶振规格 |
| 8.00*2.00 | 49S/49SM/49SSM | 3.50*1.80 | 5S/5F/5032/OSC | 1.60*1.00 | 2SB |
| 5.00*2.50 | 8FA/7SB/7050/OSC | 2.80*1.20 | 4SB | 1.40*0.90 | 1AB |
| 4.00*1.80 | 6SB、6FA/B | 2.00*1.20 | 3SB |
石英芯片按是否修边可分为平片、修边片(凸片).低频片一般要导边(修边),主要是降低电阻(ESR)；按是否抛光可分为非抛光片、抛光片(一般80.000 MHz以上进行抛光,降低芯片电阻). 石英芯片的基本加工工序主要有：切割、研磨、腐蚀、清洗.每一个工序跟频率都有一定的相关性 .
切割：用不同角度对石英晶棒进行切割,可获得不同压电特性、弹性特性和强度特性之石英芯片其电特性也各异,用它来制造的谐振器的性能也不一样,通常我们把石英芯片对晶棒坐标轴某种方位(角度)的切割称为石英芯片的切型.各种切型中目前较被广泛应用之切型为AT、BT、DT.其他切型还有 CT、GT、NT、ET、FC、SC、LC等,石英产品一般是AT切,BT切产品一般出现在频率30M以上的产品中.
石英材料(水晶)
石英产品主要是利用石英材料(水晶)的压电效应制成的电子原件和器件,压电效应是一种机电能量互换的现象,压电效应分为正压电效应和逆压电效应,正压电效应是以机械应力及应变(形变)作用而使物体产生电荷或电压输出.逆压电效应是以电能输入使之产生机械能或位移(形变)的输出.如果把交变电压施加到石英芯片两个电极之间,当交变电压的频率与石英芯片固有频率一致时,通过逆压电效应,芯片便产生机械振动,同时又通过正压电效应而输出电信号.石英材料的压电效应是有方向性的,只有在电轴方向才具有压电效应.石英有天然石英和人造石英.天然石英和人造石英均为多面体形状.目前电子元器件使用的主要是人造石英材料.主要成分为氧化硅之结晶体SiO2.
驱动功率(Drive Level)
激励功率的大小直接影响石英晶体谐振器的性能,所以电路设计者一定要严格控制石英谐振器在规定的激励功率下工作,以便充分发挥石英谐振器的特性激励功率一般以微瓦为单位micro Watt,近几年石英晶体生产技术大幅提升加上产小型化与低功耗需求的提升已不需要提供过高的驱动功率.
功率偏小对于长期稳定有利,功率稍大对于短期温度有利.
激励功率太大:
石英片振动强,振动区域温度升高,石英片内产生温度梯度,会使频率稳定度降低；功率过大时由于机械形变超过弹性限度而引起永久性的晶格位移,使频率产生永久性的变化,甚至有时会把石英片振坏；功率过大会使等效电阻增加(一般阻抗10~100奥姆),电极与接着材料的接口恶化,Q值下降,电阻温度特性和频率温度特性变得不规则；激励功率过大容易激起寄生振荡,同时还会使老化变大.
激励功率太低:
会使信号杂音比变小而影响短期稳定度,石英晶体谐振器不易起振,影响工作的稳定和可靠性,所以使用者应根据不同的要求严格控制激励功率；更不能为了增大输出而随意提高激励功率.
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