高频领域内最常被使用的AT CUT石英晶体特色

市场上目前对于携带型电子产品所使用的表面黏着型电子零件,越来越期待能够开发出更轻薄短小的制品.频率控制元件之一的石英晶体也同样进入轻薄短小的竞争纪元.石英晶体发展成SMD表面黏着型之后,其耐热性与冲击性也加以提升.这都可以归功于AT CUT技术的突破.在高频化制程上居独占地位的AT CUT之特征与样貌,统一电子将从技术的角度对于压电晶体由来以及AT切割方式的介绍.

小型便携式电子产品对于表面黏着型（SMD型）零件的市场需求始终要求能做到更精密且轻,薄,短,小,即使在电器用品市场上,携带型电器也以轻薄短小为竞争利器,制造商纷纷致力研发世界最小,最轻的产品.石英制品方面,行动电话使用的TXCO温度补偿型温补石英晶体振荡器或石英晶振,以及数位相机,笔记型电脑使用的石英晶体谐振器,钟表型石英振荡器的轻薄短小化速度也一日千里.民生用电器方面,家用产品也从以往的Dip Type石英制品走向可以带着走的携带型产品.小型SMD晶振更是如今智能电子市场的主流.石英晶体业者正在努力开发更为轻薄短小的SMD型石英产品.本文将介绍高频领域内最常被使用的AT CUT石英晶体特色.

何谓石英晶体？水晶是二氧化硅的单晶,在电力与物理方面则是具有安定性的压电物质.利用水晶安定的压电效应与逆压电效应来控制频率的元件就称为石英晶体.水晶的压电效应是在1880年由法国的居礼兄弟发现的,而1881年水晶的逆压电效应更从实验上得到确认.石英晶体就是利用水晶的「压电效应」（在结晶板上施压而在两面生出逆极性的电荷）与「逆压电效应」（在结晶板加上电极会产生机械性的歪曲并产生力量）的元件.

水晶依照切割方向的不同,会得到各种不同的振动模式.图一为各种切断图.

图一 Z板人工水晶与各种切割

高频领域内最常被使用的AT CUT石英晶体特色,在各种的切割之中,AT CUT在高频上的利用具有独占性的地位.理由说明如下：

1.温度安定性较他种切割方法优异（两轴回转之切割方法除外）.图二为各种切断的温度特性图.AT CUT的温度特性为三次曲线,其他的切断则为二次曲线.在人类生存环境温度范围之内以AT CUT的温度特性较佳.

图二 各种切割晶体的温度特性图

2.可以做到小型化.AT CUT为厚度振荡,【】晶振晶体振动频率由晶片的厚度决定,因此【】晶振晶片外型尺寸可以缩小.其他的切断法由于是轮廓或弯曲振动,长边由振动频率决定,因此要做到小型化是很困难的.图三为各种振动模式图.ATCUT的厚度与频率关系可由下列公式求得.

T（mm）=1670/f（kHz）

图三 石英晶体振荡模式

3.等价串联抵抗比其他切割法低.表一为各种切割与阻抗的比较表.等价串联抵抗低与振荡起动时间短都可能影响间歇动作.

表一　切割与阻抗的比较

4.温度特性的管理较易.AT CUT依据切割角度的不同会影响温度特性.从角度上加以控制,就可得到预期的温度特性.轮廓与弯曲必须要求切割角度以及晶片外型尺寸的边比管理,在处理上则较为繁杂.图四为切断角度与温度特性图.

图四 切割角度与温度特性

5.可以做到高频化.AT CUT的振动频率由厚度决定,因此加工技术的进步可以使石英【】贴片晶振厚度更薄,也能使振动频率提高现.在已经知道基本波动可以达到600MHz的,由刚刚提到的厚度公式计算,可以得到约2.8μm.图五为反转梅萨型高频化概念图.

图五 晶片Invert Mesa构造概念图

6.机械性强度优异.由于AT CUT是厚度振动,因此石英晶体晶片的外缘可坚固地加以固定.外型与弯曲在外缘部份会振动,因此晶片的中心部份（节点）须以细线支撑,要坚固的加以固定是困难的.图六为SMD石英晶体构造图.

图六 SMD石英晶体构造图

7.电容较小.将石英晶体连接在振荡回路上,在可变电量可使频率变动的情况下,石英晶体的电容虽小,但少量的电容变化就能得到极大的频率改变.表二为切断与容量比的比较表.TCXO晶振,【】VCXO晶振就是这种利用较小的容量比得到的应用制品.

表二 切割与电容(Co/C1)的比较