石英晶振材料中的二氧化硅(SiO2)原子是自然状态下的.与其电偶极是相互平衡的电中性.下图是二氧化硅以二维空间的简化结构图.当我们在硅原子上方及硅原子下方施加正电场及负电场时,空间系统为了维持电位平衡,在硅侧带正电,氧侧带负电,两个氧原子会相互排斥,在氧原子下方形成一个感应正电场区域.若将情况相反,当我们在硅原子上方及氧原子下方分别给予负电场及正电场时,两个原子会相互靠近.氧原子下方产生感应负电场,硅原子在上方生产感应正电场.当氧原子沿着水平方向与替代电场相同的频率及垂直方向靠近时,邻近的另一个氧原子会相对的生产排斥或者吸引的力量,使氧原子回到原来的空间位置.因此电场的力量与原子之间的力量会相互牵引,离子的位移或振动幅度取决于电场和石英的电偶极子之间的角度.电场的改变与水平方式的变换形成交互作用状态.在实际的三维石英晶振中,电场由涂覆在石英晶片表面上的电极提供,偶极子的取向可以通过石英棒的不同切割角度来决定.

石英晶体的压电特性

根据不同的应用领域以及不同的工作温度需求,所以产生不同的石英晶体板.例如AT-,BT-,CT-,DT-,NT-,GT…不同的切割板片.不同的切割方向的板片具有不同的弹性常数张量(elastic constant tensor), 不同的压电常数张量(piezoelectric constant tensor)及不同的介电常数张量(dielectric constant tensor). 这些张量在石英组件的设计及应用上展现了不同的振荡及温度特性. (图三)表现了在Z-plat石英结构上,几种不同方向的石英板片切割方式.

石英晶体的切割角度

大部份的石英晶体产品是用于电子线路上的参考频率基准或频率控制组件,所以,频率与工作环境温度的特性是一个很重要的参数.良好的频率与温度(frequeny versus temperature)特性也是选用石英做为频率组件的主要因素之一. 经过适当的设计与定义,石英晶体组件可以很容易的就满足到一百万分之一(parts per million, ppm)单位等级的频率误差范围.若以离散电路方式将LCR零件组成高频振荡线路,虽然也可以在小量生产规模达到所需要的参考频率信号误差在ppm或sub-ppm等级要求,可是这种方式无法满足产业要达到的量产规模.石英组件的频率对温度特性更是离散振荡线路无法简易达成的.在(图四) 中提供了数种不同的石英晶体切割角度的频率对温度特性曲线.

石英晶体的频率特性与温度特性

在各种不同种类的切割角度方式中, AT角度切割的石英芯片适用在数MHz到数佰MHz的频率范围,是石英芯片应用范围最广范及使用数量最多的一种切割应用方式. 在(图五)中, 从石英晶棒X-轴向的上视图, 可以看到对Z-轴向旋转约35度的AT 方向. 这在大量生产的技术上也是很好达成的一种作业方式.

石英晶体的切割方向

上图是以AT切割角度变动在厚度振动模态的频率对温度特性的展开图. 图中以常用的室温摄式25度作为相对零点, AT切割的最大优点是频率对温度变化为一元三次方曲线. 这个特性, 从(图六)中可以看到, 在相当宽广的温度范围下, AT切割的温度曲线的第一阶及第二阶常数为零, 第三阶的常数便决定了频率对温度的变化值.

切割晶体的温度频率特性变化

每天都会接到很多晶振客户的询盘,有的是工厂采购,有的是贸易商采购,有的是EMS代工厂采购员等等.每天都有上百个咨询石英晶振参数报价及拿货订货.也有很多客户经常会"一问三不知",什么是一问三不知,就是我们石英晶振销售人员口中经常说的参数,尺寸,封装.并不是每一个来咨询问料的客户都是能很清楚明白的知道晶振都有哪些参数.这也跟专业性有关吧,毕竟我们是专业做晶振这一块的,对于刚接触晶振的采购人员来说就是一个未知领域,就像我一样,我从事石英晶振销售三年有余,虽然说是从事电子行业的人员,但我却对其它电子产品”一概不知”.什么电容电阻二三极管,到现在为止我都还不知道他们到底长啥样.虽然客户发过来的电路板上是会有这些产品出现,但我却认不出来.只能从板子里认出晶振,然后估出大概尺寸,看出哪个品牌.我们公司从事晶振行业18年有余,一直坚守晶振行业这个领域的事业.现在给大家介绍一下<什么是晶振的具体参数>,<晶振的专业术语>.

Every day, I receive a lot of enquiries from crystal customers, some are factory procurement, some are traders, some are EMS foundry buyers, etc. Every day, there are hundreds of consulting quartz crystal parameters and get orders. Many customers often "One question, three don't know", what is one question, three, I don't know, it is the parameters, size, and packaging that we often say in the quartz crystal sales staff. Not every customer who consults can know clearly what crystals are. Parameters. This is also related to professionalism. After all, we are specialized in crystal oscillators. It is an unknown field for purchasers who are just in contact with crystal oscillators. Like me, I have been engaged in the sales of quartz crystal oscillators for more than three years, although I am a person in the electronics industry, but I don’t know about other electronic products. I don’t know what capacitors and diodes are. So far, I don’t know how long they are. Although the customer’s board will be there. These products appear, but I can't recognize them. I can only recognize the crystal oscillator from the board, and then estimate the approximate size to see which brand. Our company is engaged in crystal oscillators. More than 18 years, we remain firmly committed to the cause of the crystal industry in this area and now tell you about .

首先就是我们经常有问到的,标准频率以及频率偏差也称之为精度.(Nominal Frequency and Tolerance)

The first is what we often ask. Standard frequency and frequency deviation are also called accuracy. (Nominal Frequency and Tolerance)

在正确的振荡线路匹配下,从振荡线路输出的频率称之为”公称频率”.石英晶体谐振器的频率通常都是以兆赫兹(MHZ)或者千赫兹(KHZ)来表示.而频率偏差则是在实际批量生产及振荡线路应用上,产品在室内环境25度中都会有一些相对于中心频率的频率误差.这一类的频率容许误差的最大散布值,一般是有ppm(parts per million)或者%(percent)来表示.

Under the correct oscillating line matching, the frequency output from the oscillating line is called the “nominal frequency.” The frequency of the quartz crystal resonator is usually expressed in megahertz (MHZ) or kilohertz (KHZ). The frequency deviation is In actual mass production and oscillating line applications, the product will have some frequency error relative to the center frequency in the indoor environment of 25 degrees. The maximum dispersion value of this type of frequency tolerance is generally ppm (parts per million). Or %(percent) to indicate.

其次就是石英晶振的基本波振荡和倍频振荡模态简称”泛音振动”. (Fundamental and Overtone Vibrations Mode)

The second is the fundamental wave oscillation of the quartz crystal oscillator and the frequency doubling oscillation mode referred to as "overtone vibration". (Fundamental and Overtone Vibrations Mode)

AT切割型的石英晶振主要以厚度剪切振荡模式存在,高次谐振动波与电极区域之间的基本振动共存.由于两个电极的极性相反,在压电石英晶体谐振器中只能激发奇数谐波振动.

The AT-cut quartz crystal oscillator mainly exists in the thickness shear oscillation mode, and the high-order harmonic vibration wave coexists with the basic vibration between the electrode regions. Since the polarities of the two electrodes are opposite, only the piezoelectric quartz crystal resonator can be excited. Odd harmonic vibration.

再然后就是相当主要的负载电容了(Load capacitance),负载电容CL是振荡器通过谐振器两端观察电路时所呈现出的电容量,负载电容形式上与谐振器串联或者并联,对于并联负载情况,CL的存在将影响并联谐振频率,而并联负载谐振频率FL由下面工式给出,所以在咨询型号参数的时候,这个参数必需是客户指定参数.

Then there is a fairly large load capacitance. The load capacitance CL is the capacitance that the oscillator exhibits when observing the circuit through the resonator. The load capacitance is in series or parallel with the resonator. For parallel load conditions. The presence of CL will affect the parallel resonant frequency, and the parallel load resonant frequency FL is given by the following equation, so when consulting the model parameters, this parameter must be the customer-specified parameter.

在晶振购买过程中，这些参数都是用得较多的几个参数了.其实还有很多参数还没介绍完,明日再继续更新最新的晶振参数说明.希望可以帮助那些想要了解晶振,并且采购晶振的客户去了解更多的信息资料.

石英晶振的内部其实就是一片极薄极轻的石英晶体片，这个石英晶体片是晶振厂家们经过多重工序打磨切割而成的，可以说是脆弱而强大，说它脆弱是因为无论在生产过程、储存过程还是使用过程中都要格外注意小心，否则一不小心它就会出意外罢工，而强大则是来源于它那号称是电子产品“心脏”的实力，广泛的运用领域及用途，是促进电子产品智能化的主要因素之一。