原创 晶体

一、        晶体(crystal)的基本概念：<?xml:namespace prefix = o ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:office" />

1．  1晶体的定义：具有天然规则的几何外形。

                 具有一定的熔点和沸点。

                 具有各向异性的特点。

例如：石英晶体在<?xml:namespace prefix = st1 ns = "urn:schemas-microsoft-com:office:smarttags" />573℃以下称为α石英，在870℃以下称为β石英，在1420℃以下称为磷石英，温度大于1420℃以上称为方石英。压电石英器件都是α石英制成，而β石英则无压电效应。

1．  2压电效应与逆压电效应：

当石英晶体受到外力作用时，在它的某些表面上出现电荷，而且电荷与作用力成正比关系，此关系称为压电效应。

当晶体受到电场作用，在它的某些方向上出现形变，而且电场强度与形变成正比关系这称为逆压电效应。

石英晶体谐振器的工作原理是利用晶体的逆压电效应原理进行生产的。

1．  3晶体的生产：

水热温差结晶法：在高温高压下，以籽晶作为母体，在过饱和的石英溶液中利用温差使其在母体（籽晶体）上生产单晶。结晶温度：330℃～340℃，温差：25～35℃，

压力：110MPA左右。生产周期：35～60天左右。

常见的人造晶体有四种：Z片、Y棒、R切片和SC切片。现大量使用的为Z片和Y棒。

1．  4石英晶体材料的特点：

Q值（Q-value）：

Aа级：380万以上；A级：300万以上；B级：240万上；C级：180万以上；D级：100万以上；E级：50万以上。

腐蚀隧道密度(Etch-channel density)：

一级：≤10/cm²    二级：≤30/ cm²  

   三级：≤100条/ cm²      四级：≤300/ cm²

包裹体（Inclusions density  /cm³）：

二、        石英晶体谐振器(Quartz crystal resonator)：

2．  1基本概念：

石英晶体谐振器是利用石英晶体的逆压电效应，在交变电压作用下，当交变电压的频率与石英晶体谐振器的固有谐振频率相同时，即产生谐振。

               石英晶体谐振器是由压电石英晶体片、电极、支架和外壳等构成的电场-机械振动转换系统。

               常用的石英晶体谐振器有四种振动模式：伸缩振动、弯曲振动、面切变振动和厚度切变振动。目前大量使用的是厚度切变振动中的AT切型。

                对于AT切晶体谐振器，其频率与其晶体片厚度的关系为：

                 F(KHZ)=n K_f  / t(mm)    K _f =1670 KHZ.mm   n=1、3、5、7……

                    其中当n=1时称为基频（AT切角yxl=35°15′），n=3、5、7（切角yxl=35°25′）时分别称为三次泛音、五次泛音、七次泛音等。

                 对于BT切（BT切角yxl=-49°13′）晶体谐振器，其频率与其晶体片厚度的关系为：

                 F(KHZ)= K_f  / t(mm)    K _f =2560 KHZ.mm   n=1、3、5、7……

          2．2 基本电性能：

               2．2．1等效电路：

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                               C1

            C0                 L1                串联谐振频率fs

                               R1

2．2．2电参数：

标称频率FL（Nominal frequency)

等效谐振电阻ESR（Equivalent resistator)

负载电容CL（Load capacitor）

频率偏差△F（Frequency tolerance）

温度偏差TC（Frequency stability in operating temperature range）

静电容C0（Shunt capacitance）

动态电容C1（Motional capacitance）

绝缘电阻IR（Insulation capacitance）

激励电平DL（Drive level）

可工作温度范围（Operating over temperature range）

Q值（Q value）

动态电感L1（Motional inductance）

2．2．3晶体谐振器在电路中的匹配方式：

                           IC                                                     

                                                                C1     XTAL

                  C1      XTAL     C2

                          图1                                 图2

                  CL≈ C1*C2/（C1+C2）+Co                 CL≈C1+C0

                ※ 而根据西门子经验公式其为CL≈C1/1.8（在C1和C2相等条件下）

※     在实际结路中可根据以上经验公式调整线路中C1和C2值使晶体与振     荡线路相匹配。同时还需根据具体的线路和整机使用环境要求，对晶体的其它参数加以规定。

※   晶体的精度除了晶体本身的精度外（精确度），还受晶体两边的电容C1、C2的容量精度影响，当CL为10PF时，容量变化为+/-0.5PF时，晶体的频率变化会有10PPM左右的变化。