大自然是非常神奇的，給予了許多人類需要的物資，而人類經(jīng)過(guò)千萬(wàn)年的探索，發(fā)現(xiàn)了成千上萬(wàn)種可以利用的資源，石英和水晶就是其中一種，經(jīng)過(guò)打磨之后可以做為工藝品，很多人想不到的是，我們現(xiàn)在常用的晶振，原料就是石英和水晶，擁有獨(dú)特的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。后來(lái)因?yàn)樾枨罅窟^(guò)盛，自然采摘的數(shù)量根本不足以支撐市場(chǎng)的需要，而且成本也比較高，因此價(jià)位采用人培植的方法來(lái)保障供求，因?yàn)樵喜牧鲜鞘⑺?，它制成的頻率元件也被命名為石英晶體和石英晶體振蕩器。

石英晶體諧振器（通常稱為“晶體”）廣泛用于頻率控制應(yīng)用，因?yàn)樗鼈兙哂懈逹值，穩(wěn)定性，小尺寸和低成本的無(wú)與倫比的組合。已經(jīng)研究了許多不同的物質(zhì)作為可能的諧振器材料，但是多年來(lái)，石英諧振器在滿足精確頻率控制的需求方面是優(yōu)選的。與其他諧振器，例如LC電路，諸如調(diào)諧叉的機(jī)械諧振器，以及基于陶瓷諧振器或其他單晶材料相比，石英諧振器具有獨(dú)特的性能組合。

首先，單晶石英的材料特性隨時(shí)間，溫度和其他環(huán)境變化非常穩(wěn)定，并且從一個(gè)樣品到另一個(gè)樣品具有高度可重復(fù)性。石英的聲學(xué)損耗或內(nèi)部摩擦非常低，直接導(dǎo)致石英晶體的關(guān)鍵特性之一，其極高的Q因子。石英的固有Q在1MHz時(shí)約為107。安裝的諧振器通常具有從數(shù)萬(wàn)到數(shù)十萬(wàn)的Q因子，其比最佳LC電路好幾個(gè)數(shù)量級(jí)。

石英諧振器的第二個(gè)關(guān)鍵特性是其相對(duì)于溫度變化的穩(wěn)定性。取決于晶體坯料的形狀和取向，可以使用許多不同的振動(dòng)模式，并且可以通過(guò)適當(dāng)?shù)倪x擇將石英諧振器的頻率-溫度特性控制在接近的極限內(nèi)。最常用的諧振器類型是AT切割，其中石英坯料是薄板形式，切割成與晶體光軸成約35°15'的角度。

石英諧振器的第三個(gè)基本特征與其機(jī)械性能的穩(wěn)定性有關(guān)。商業(yè)單位可以很容易地獲得短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，這種穩(wěn)定性表現(xiàn)為頻率漂移，每年僅百萬(wàn)分之幾。在嚴(yán)格控制條件下制造的精密晶體單元在頻率穩(wěn)定性和精度方面僅次于原子鐘。

石英板方位：

石英水晶振動(dòng)子由適當(dāng)安裝和金屬沉積的晶體石英板組成，使用體聲波（BAW）振動(dòng)。最初石英板是由天然石英制成的，但今天幾乎只使用培養(yǎng)石英。板（也稱為晶片或坯料）相對(duì)于石英材料的晶軸以精確的取向制造。取向或“切割”決定了諧振器的頻率-溫度特性和其他重要特性。

以上是從用于制造AT切割諧振器的Y取向晶種生長(zhǎng)的培養(yǎng)石英晶體的示意圖。晶種建立初始晶體取向并且以Z軸為代價(jià)促進(jìn)Y方向上的生長(zhǎng)。仔細(xì)選擇晶種以避免隨晶體生長(zhǎng)而可能傳播的缺陷。指示晶種的位置。從x軸向左傾斜的線標(biāo)記AT板的鋸切位置，向右傾斜的線表示BT切割。在實(shí)踐中，這些角度非常關(guān)鍵，并且使用布拉格X射線衍射精確確定。

振動(dòng)模式：

與所有板一樣，石英板具有多種振動(dòng)模式。振動(dòng)有三種基本模式，如下圖所示。

（a）彎曲模式（彎曲或彎曲）;切割：5°X，NT;頻率~100kHz。

（b）伸展模式（沿著板的長(zhǎng)度移位）;削減：MT，GT;頻率：40-200kHz。

（c）剪切模式（沿相反方向滑動(dòng)兩個(gè)平行平面）。此模式細(xì)分為：

面剪;削減：CT，DT;頻率：100-600kHz。

厚度剪切;削減：AT，BT，SC;頻率：1-30MHz（基本模式）;30-90MHz（3次諧波泛音模式）;60-150MHz（5次諧波泛音模式）;等等

適當(dāng)定向的電極激發(fā)所需的振動(dòng)模式。雖然已經(jīng)開(kāi)發(fā)了大量不同的切口，但是一些僅在低頻下使用，而另一些則用于頻率控制以外的應(yīng)用，還有一些已經(jīng)被后來(lái)的開(kāi)發(fā)所淘汰。除了石英鐘表中使用的低頻石英晶體諧振器之外，當(dāng)今應(yīng)用中的幾乎所有石英諧振器都使用厚度剪切模式。頻率高于約1MHz時(shí)，主要使用AT切割和SC切割。對(duì)于低于約1MHz的頻率，厚度模式諧振器由于尺寸通常變得不實(shí)用，因?yàn)槊髦睆奖仨氝h(yuǎn)大于厚度。

AT-和SC-切割諧振器頻率：

厚度剪切諧振器的基頻與其厚度成反比。晶體坯越薄，頻率越高。在第3，第5等諧波泛音中存在額外的共振，其頻率是基本共振頻率的近似但不精確的奇數(shù)倍。諧振器通常被設(shè)計(jì)成優(yōu)化這些諧振中的一個(gè)或另一個(gè)的特性，例如基波或第三泛音，但是其他泛音必然仍然存在。AT切割通常在1MHz至250MHz及以上的頻率范圍內(nèi)制造，并且在此范圍內(nèi)通常是大多數(shù)應(yīng)用的最佳選擇。然而，AT切割對(duì)諧振器主體中的應(yīng)力敏感，無(wú)論是由于快速外部溫度變化引起的溫度梯度，或外部力量。對(duì)于需要極端穩(wěn)定性的應(yīng)用，這種應(yīng)力靈敏度是一個(gè)缺點(diǎn)，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出更新的晶體切割，例如SC（應(yīng)力補(bǔ)償）切割，以最小化這些影響。SC切割晶體是雙旋轉(zhuǎn)晶體族之一（相對(duì)于三個(gè)晶軸中的兩個(gè)以一定角度切割的石英晶體）。家族中的其他人包括IT切割和FC切割。SC切割代表了最佳的雙旋轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)，因?yàn)樗奶厥饨嵌葉35°15°~21°54提供了最大的應(yīng)力補(bǔ)償。SC切割也是厚度模式諧振器，因此基本上可以在與AT切割相同的頻率范圍內(nèi)獲得，但是由于制造工藝?yán)щy，其商業(yè)可用性受到更多限制。對(duì)于需要極端穩(wěn)定性的應(yīng)用，這種應(yīng)力靈敏度是一個(gè)缺點(diǎn)，并且已經(jīng)開(kāi)發(fā)出更新的晶體切割，例如SC（應(yīng)力補(bǔ)償）切割，以最小化這些影響。SC切割晶體是雙旋轉(zhuǎn)晶體族之一（相對(duì)于三個(gè)晶軸中的兩個(gè)以一定角度切割的石英晶體）。

等效電路

石英晶體諧振器是一種機(jī)械振動(dòng)系統(tǒng)，通過(guò)壓電效應(yīng)與電氣世界相連。它由帶有金屬鍍層的石英板（電極）組成，它位于石英板的兩側(cè)，并連接到音叉晶體封裝上的絕緣引線。雖然該裝置的理論分析是一種相對(duì)復(fù)雜的機(jī)電功能，但它可以用諧振頻率附近的簡(jiǎn)單等效電路表示，如下所示：

石英晶體諧振器的等效電路

被稱為“分流”或靜電電容的C0是由于晶體板上的電極加上由于晶體外殼引起的雜散電容而產(chǎn)生的電容。無(wú)論晶體板是否振蕩，都存在分流電容（與石英的壓電效應(yīng)無(wú)關(guān)）。電路的R，C1和L1部分被稱為“運(yùn)動(dòng)臂”，其由晶體的機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生。R代表等效的運(yùn)動(dòng)臂阻力;C1表示石英的運(yùn)動(dòng)電容;L1是運(yùn)動(dòng)電感，是質(zhì)量的函數(shù)。C0到C1比率是存儲(chǔ)在晶體中的電能和機(jī)械能之間的相互轉(zhuǎn)換的量度，即壓電耦合因子k。C0/C1隨著泛音數(shù)的平方而增加。當(dāng)直流電壓施加到諧振器的電極時(shí)，電容比C0/C1也是由電極形成的電容器中存儲(chǔ)的電能與由晶體管中彈性存儲(chǔ)的能量的比率的量度。由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的晶格應(yīng)變。

當(dāng)使用大多數(shù)時(shí)鐘晶體時(shí)，由于C1和L1之間的絕對(duì)相關(guān)性，僅需要指定一個(gè)運(yùn)動(dòng)分量或另一個(gè)運(yùn)動(dòng)分量（對(duì)于給定的串聯(lián)諧振頻率，C1*L1是恒定的）。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是僅指定適當(dāng)?shù)腃1值。當(dāng)在石英晶體設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)時(shí)，C1的實(shí)際值具有物理限制。這些限制包括石英切割，機(jī)械設(shè)計(jì)，操作模式和晶體諧振器的標(biāo)稱頻率。

雖然等效電路看起來(lái)相對(duì)簡(jiǎn)單，但確定用于描述諧振器等效電路特性的幾個(gè)特征頻率卻令人驚訝地復(fù)雜。在大多數(shù)情況下，使用簡(jiǎn)單的近似值。以下符號(hào)可用于確定其中一些頻率。

Fs（串聯(lián)共振頻率）=1/[2p（L1C1）1/2]

Fp（并聯(lián)諧振頻率）=fs[1+1/（2g）]

g（電容比）=2pfsC0/C1

Q（品質(zhì)因數(shù)）=2pfsL1/R1

M（品質(zhì)因數(shù)）=Q/g

系列與并行共振

由fs定義的振蕩發(fā)生的頻率稱為串聯(lián)諧振頻率。下面顯示的晶體的電抗/阻抗曲線顯示出發(fā)生機(jī)械共振的位置。

串聯(lián)諧振發(fā)生在曲線過(guò)零點(diǎn)。此時(shí)，晶體在電路中呈現(xiàn)電阻，阻抗最小，電流最大。隨著頻率增加超過(guò)串聯(lián)諧振點(diǎn)，晶體在電路中看起來(lái)是電感性的。當(dāng)運(yùn)動(dòng)電感和并聯(lián)電容的電抗抵消時(shí)，晶體處于稱為反共振頻率的頻率，表示為（fp）。此時(shí)，阻抗最大化并且電流最小化。fp處的SMD晶體頻率本質(zhì)上是不穩(wěn)定的，不應(yīng)該選擇振蕩器的工作頻率。fs和fp之間的區(qū)域通常稱為“并行共振區(qū)域”。通過(guò)向晶體串聯(lián)添加負(fù)載電容可以實(shí)現(xiàn)并聯(lián)諧振，從而產(chǎn)生由以下因素確定的正頻移：

dF=°F小號(hào)c^1/2（C^0+C大號(hào)）

等效電路中不可避免的Co存在產(chǎn)生這種反共振，有時(shí)也稱為并聯(lián)共振。在這方面，r=C0/C1是重要的諧振器參數(shù)，因?yàn)樗c諧振和反諧振之間的間隔成反比，從而確定濾波器中的最大帶寬和振蕩器中的調(diào)諧范圍。

石英晶體是各大類產(chǎn)品比較關(guān)鍵詞的一種電子元器件，工作原理比較獨(dú)特，通電后晶體通過(guò)人體感知不到的振蕩帶動(dòng)其他元件工作，輸出精準(zhǔn)的時(shí)鐘頻率信號(hào)，簡(jiǎn)單的說(shuō)就是把電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械動(dòng)能，讓產(chǎn)品各個(gè)系統(tǒng)和模塊得以運(yùn)行。貼片石英晶振的尺寸非常小，看起來(lái)似乎很易懂的石英晶體諧振器，其實(shí)一點(diǎn)都不簡(jiǎn)單，光生產(chǎn)流程就有幾十道，而涉及的技術(shù)工藝可能多達(dá)上百種，才能制造出完美的晶振。