NKG CRYSTAL音叉石英晶体简介

1 .音叉石英晶体简介

音叉晶体,或者也称为腕表晶体,是最古老的晶体设计之一,用于手表,时钟以及当今计算机和其他电子设备中的时间控制,如实时时钟( RTC ).

今天,这些晶体单元正在以各种封装尺寸和形状批量生产.正如工业中的任何地方一样,小型化也影响了这种晶体类型,这导致了更小的封装和SMD形式,能够进行SMT加工.

用于此目的的最常见频率是32.758kHz,当频率除以215,得到1Hz (赫兹)信号时,振荡器可以利用该频率提供一秒钟的输出信号.

30 ~ 200千赫的频率用于其他应用.

2 .石英晶体材料及其工作原理

正如名字所说,石英晶体是由石英制成的.石英是一种天然材料,在地球上随处可见,主要是石英砂和形成晶体的岩石.如今,石英是在高压釜中合成生长的,比天然石英纯度更高.对于使用的音叉晶体Ybars,Y是指石英晶格的轴,该棒沿着该轴生长.

石英因其将机械应力转化为电能的特性而被使用,反之亦然.这种效应被称为压电效应.在那里也是可以用作利用压电效应的振动器的其它材料,例如陶瓷,但是其中石英对于振动谐振器具有最好的性能,并且提供高的Qfactor.

基于原子空间晶格的取向和取向,有不同类型的石英可供选择.这在名称上被区分为左手石英和右手石英,也称为α和β修饰.两者可以同时存在于同一石英块或晶片中,并且两者可以同时工作.然而,这不是想要的操作模式,需要避免.

3 .石英晶体振动模式

石英中的压电效应可以在不同的振动模式中使用,这是基于这些振动板(称为晶片或坯料)从原材料中切割出来的方式,考虑到它们对原子晶格的取向.下面是最常见的振动模式.

对于音叉石英晶体,使用的是弯曲模式.弯曲模式晶体单元主要在低于1兆赫兹的低频范围内工作.因为这些晶体通常仅使用基波模式,泛音模式是可能的,但由于这些晶体在泛音模式下具有高电阻,因此不容易实现.

4 .石英晶体切割

为了利用期望的振动模式并具有压电效应,谐振器的晶体板需要从石英晶格中切出一定角度.

多年来,为了正确定义这些削减,缩写词被分配给了这些削减.对于音叉晶体,在弯曲中工作模式,被称为X -切割,XYcut或NTcut.

它们之间的差异与最终晶体单元的性质和制造技术有关.最常见的是Xcut (也称为X+2cut ),它也用在我们圆柱形封装的晶体上.

5 .音叉弯曲模式工作原理

音叉这个名字来自于类似音叉形状的水晶板(称为水晶晶片或坯料)的设计.

其工作原理与音叉相同,两个尖端将以一定的频率振动.频率由音叉尖端的质量定义,这与音叉尖端的机械尺寸有关,包括所有三维尺寸,长度,宽度和高度.

6 .音叉弯曲模式电极电镀

为了使音叉尖端的机械运动起作用,需要向音叉尖端施加电场.这是通过在石英表面电镀电极来实现的.对于这些电极,主要使用银,但铝和金也是可能的.

音叉X切割晶体上的电极镀层需要镀在尖端的所有四个侧面上，并且两个尖端需要具有相反的极性，这样尖端将按照上一页描述的方式移动。

7 .音叉晶体组件

8 .音叉晶体电参数

石英晶体的电学参数取决于其基于所用石英切割的性质。主要参数可以通过从机械振动模型中提取的等效电路来解释。

机械振动模型及其等效电路。

石英晶体单元的等效电路由电容器C1、电感器L1和电阻器R1的串联支路组成，并联电容C0。

左下角显示了带有外部负载电容器CL的晶体单元的符号。

音叉晶体电气参数(续)下表列出了客户需要指定的典型音叉晶体单元的电气参数。

1 )等效串联电阻是晶体在振荡器电路中表现出的电阻.

下表列出了客户需要指定的典型音叉晶体单元的电气参数。

可以指定附加参数,例如运动电容C1,电容比C0/C1,Q因子等,但是对于普通应用来说不是必需的.所有这些参数也因频率和包装而异类型,请联系制造商了解更多详细信息.

8.音叉晶体电气参数(续)

该图表显示了音叉晶体单元的典型频率-温度特性.

绿色曲线显示了曲率常数k = 0.034ppm / C的理想晶体,其转折点正好在+ 25°C,并且在室温( 0ppm )下被设置为中心频率.

灰色区域表示如果在室温下制造20ppm公差的晶体单元的范围(红色虚线),具有+ 25±5°C的转折点范围和0.034ppm / C的曲率常数

8.音叉晶体电气参数(续)

该图表显示了石英晶体单元的典型老化特性.老化取决于各种因素,这些因素的总和可以增加或减少频率.随着时间的推移,如曲线所示,石英晶体趋于稳定,制造商在加工过程中进行预研磨,以获得更多的石英晶体逐渐老化的部分.

影响行为的因素是:压力,杂质,温度,制造方面

9 .音叉晶体振荡器电路

如今,振荡器电路通常集成到IC中,因此外部只需要几个元件.右侧的示意图显示了低频振荡器的典型电路.它包括:

集成放大器或门.相移电阻器“Rd”,通常是集成的,典型值为300k.此处显示的IC输入/输出电容“CXC_”是为了完整起见,因为它们是电路总负载电容的一部分.

反馈电阻“Rf”,通常是外部的,因为其典型值为10M.晶体单元“Y1”.

外部负载电容器“C1”和“C2”,它们的值取决于电路设计,板上的附加杂散电容和晶体.