压电石英晶体的制作以及商业化

压电谐振器可以控制振荡器的频率,这一发现最初是由业余无线电爱好者组成的.由于压电水晶控制的好处得到了广泛的重视,商业广播电台转换了他们的设备,市场迅速扩大.在石英晶体单元制造的头几年,几乎所有的商业单位都是用四边形板制作的,因为这种板的成型相对容易.

四边形板的使用延续了军方对水晶的控制,直到第二次世界大战中期.在军事和商业用途上的许多板块都是一英寸或更大.在战争年代,水晶单位需求的增加使石英晶振成为一种越来越有价值的商品;对更有效利用的需求推动了替代(小)板设计的发展.然而,四边形板的使用一直持续到20世纪60年代初,尤其是在“火腿”无线电应用中.

目前,压电水晶行业似乎已经进入了一个完整的周期:在表面安装设备中不断扩大的对较小尺寸包装的需求驱动下,四边形板已经重返市场.尽管技术进步了,但四边形板仍然呈现出令人烦恼的特点,挑战了今天的制造商,因为它们挑战了昔日的制造商.今天的大部分需求是为了更高频率的“AT-”和“BT-”切割石英晶体;因此,我们将限制我们的讨论,重点是石英晶体.

图1.0代表了人工(人造)石英石的顶部视图.y轴是机械轴,如图所示.y切割板从石头上切割下来,厚度尺寸与y轴平行.y切板的频率主要由其厚度决定.然而,y切割板显示出不适合商业用途的特点,所以今天使用的大多数盘子都是稍微旋转的角度,结果是有更可取的,可再生的属性(最重要的是石英晶振频率稳定性和温度).两个最常见的单独旋转的y轴切割是AT-和BT-cut,从图中可以看出,在朝向上几乎是相反的.这种方向上的差异导致了操作特征的显著差异,如下所述.

图2.0说明了可以在石英板中诱导的各种振动模式.AT和BT板主要在厚度剪切模式下振动.然而,重要的是要了解,任何石英板都可以在一个或多个有插图的模式中振动,甚至在两个或更多的组合中.“其他”类型的振动可能是电性的、机械的、声学的、热的或由这些因素的某些组合引起的;这些诱导反应通常被称为“耦合的”或“不需要的”模式.当厚度剪切模式被激发时,任何单个旋转的厚度剪切谐振器也会在面对剪切模式时振动.

在板的厚度剪切频率响应可以描述使用三个系统:第一个数字表示的数量half-waves通过板的厚度,第二个代表循环的数量在板的轴和第三,沿着z轴循环的数量.泛音总是奇数的整数倍,所以使用这个命名法,模式1,1,1;3、1、1;5、1、1;等等,分别代表主模式,第三和第五次谐波的泛音.

一个具有直边和方形边缘的谐振板,理想的形状是反射波和促进驻波的产生.产生非期望频率的波会引起问题;在厚度剪切板的情况下,“伪”频率响应和“耦合模态”是特别值得注意的.