KVG石英晶體的結晶形成XMP-7135-5E-18pF-20MHz
石英作為礦物是所有類型石英諧振器,石英濾波器和石英振蕩器的原料。大部分地殼由天然石英構成,其純粹形式也稱為深石英或α石英。石英是由硅和氧原子構成的完美對稱的理想晶格。這種晶格使石英具有重要的特性,即當對晶體施加機械壓力時,可以在石英晶振晶體的兩端測量電壓。同樣,當從外部施加電壓時,晶體會變形。這種行為使其成為在電路中以振動夸克的形式使用的理想原材料。以前在石英的生產中使用礦物開采石英,山水晶,現在幾乎完全使用人工制造的石英,其純度極高。例如,在每只腕表(石英表)中,一小塊石英材料確保秒針每秒可靠且始終向前滑動一次。
石英是一種由硅和氧組成的礦物,化學式為SiO2。石英的結晶形式在自然界中比較常見,但在制造石英晶體所需的高純度形式中,供應量相對較少,天然石英的供應有限,成本高,導致自20世紀60年代以來,合成石英的制造業得到了發展。合成石英晶振晶體是在垂直汽車熔巖中制造的。Autoklav根據水熱梯度原理工作,溫度超過400°C,壓力超過1000巴。所謂晶體(Crystal)。種子)被放置在車床的上腔室,而天然石英(laskas)被放置在下腔室。然后填充堿性溶液,通過加熱增加腔室內的壓力。與下腔相比,汽車艙的加熱產生較低的上腔溫度。這種溫度梯度產生堿性溶液的對流,溶解在腔室底部的天然石英并沉積在上部區域的晶體上。用這種方法產生的α晶體的質量可以達到數百克,并且可以在幾周內生長。晶體生長越慢,其純度和質量就越高。
石英晶體是具有極軸但沒有對稱中心的晶體。其中包括Z。B.α-石英或硫化鋅。
通過外部施加的電場,可以實現整個壓電晶體的變形,這有時被稱為反向壓電效應。
壓電效應可以通過施加壓力時硅和氧離子的正電荷和負電荷的轉移來解釋,從而產生電偶極矩:
當帶有極軸(即宏觀偶極矩)的絕緣體被帶入電場時,電荷在其內移動并發生機械變形。相反,機械變形可以移動或對齊電荷,從而產生電極化,即電場。壓電場E以及端面之間產生的應力U與相對變形ε=Δx / x成正比:
或 在這里,δ被稱為壓電系數,它與材料有關。變形是由于在場方向上彼此相鄰的偶極子相互吸引。這些力使相鄰層彼此接近,直到彈性反力補償電力。
電荷發生在極軸的末端,并通過它們的平面上的變形相互轉移,導致總中性晶體的邊界表面產生表面電荷。 因此,晶體通過變形經歷電極化,這與電場中電介質的極化相對應。
壓電效應的性質在很大程度上取決于力或電壓作用于石英晶體的方向。此外,環境溫度根據方向有不同的強烈影響。可以制造不同的石英晶體,具有不同的特性。
定義晶體軸
最常見的切割是單旋轉AT切割(theta=0°)和雙旋轉SC切割(theta=22°)。在這兩種情況下,θ角大約是34°。
還有其他雙旋轉切割,如MSC,IT,FC,LD-用于特殊應用。
晶體諧振器的活性組件是一個機械振動盤(“晶體元件”),由單晶石英切割而成,與晶體學軸精確對齊。諧振器在高真空中涂覆鋁,銀或金電極,并通過熱焊或電阻焊將其焊接到合適的外殼中。
元件的物理尺寸及其與軸的對齊方式決定了共振頻率、初始精度、電氣特性和溫度系數。
晶體的頻率與元素的厚度成反比。對于機械加工,其結果是晶體在基本振動中振蕩的頻率上限約為50 MHz。
為了在基本振動中實現更高的頻率,也存在化學估計值。倒置的Mesa晶體,其中諧振器的中心部分被估計為只有幾微米厚。
許多不同的參數會影響最終的諧振器特性。元件的厚度和直徑,電極直徑,電極材料,還有支架,密封方法等。
晶體元素可以平行或輪廓(與相位,平面凸或雙凸)制成。
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輪廓是必要的,以避免康德效應。可以在晶體元件的一側或兩側形成彎曲半徑,以便將能量集中在諧振器的中心。
高頻晶體振蕩在厚切爾振動中,可以在基底或奇數上丘腦模式中激發。
順子晶體的動態容量C1n隨著順子n的順序下降,大約由 因此,高原晶體中的CO/C1比率遠大于在基色中振蕩的晶體,并且拉伸范圍減少了約n3的因子。因此，VCXO振蕩器中使用的石英,需要大范圍的拉伸,在基本色調模式下工作。
所有晶體諧振器都會產生一種主要模式,即二次振動,以及不需要的振動模式,即高于諧振頻率的二次諧波模式。
除了常用的C模式外,還有另一種狄更斯模式,即B模式。它的頻率比C模式高約10%,動態阻力通常比C模式低,但溫度系數較大。有時需要過濾此模式,以便振蕩器可以使用C模式。
其他不需要的模式包括剪切,彎曲,厚度和扭轉振動,它們可能發生在所需的共振頻率之上和之下。通過正確的示波器設計,不需要的模式很少會造成問題。接近諧振頻率的不需要的模式會影響石英晶體振蕩器的啟動行為,或在運行期間導致頻率偏移到錯誤的頻率。
其他不良影響是由不需要的模式引起的溫度上的頻率和電阻的崩潰。 次要模式通常表示為不和諧模式的共振阻抗與主要模式阻抗的比率。
在諧振頻率附近,石英單位由電動雙極表示。來自更換圖像的電路模擬了振動夸克的電行為。
CO分流容量:電極,石英支架,電線和外殼之間的容量。典型 1-50 pF 動態容量C1:代表機械彈性。典型 10-12 – 10-18 F 動態電感L1:表示機械慣性。典型 10-3 – 10-5 H 動態阻抗R1:機械損耗。典型值 1 - 105 Ω
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振動夸克的拉伸能力是將晶體單元的頻率從自共振頻率(fs)改變為激光共振頻率(fL)的能力。除了替換電路的組件外,電子電路中還必須提供一個外部容量,稱為負載容量CL,以便晶體可以改變其諧振頻率。 負載能力的降低導致頻率的增加,而負載能力的增加導致頻率的降低。 當負載能力成列或與晶體平行時,諧振頻率相應地移動:
和諧振時的阻力變為:
振動石英的共振頻率通常取決于石英的溫度。AT和SC石英的溫度特性由三階拋物線描述。 然后可以描述頻率的相對變化:
與MIT Ti是轉折點的溫度。
頻率-溫度特征線主要由石英的切割角決定。對于給定的截面,Ai 是隨著 Theta 角度變化最大的參數。Ci幾乎是恒定的,而Ti在AT截面為+25°C至+35°C,SC截面為+85°C至+95°C,具體取決于晶體元件的尺寸。
由于SC截面的臨界點接近90°C,因此非常適合用于爐振蕩器,因為80°C的頂部反轉點導致頻率對溫度的依賴性非常低。此外,SC切割晶體對機械和熱應力不太敏感,與AT切割相比,老化程度更低,性質更高。
老化是振動夸克的固有頻率隨時間的變化。它通常可以表示為逆對數函數。老化受制造工藝(特別是緊固技術)、老化、振蕩器設計和環境條件的影響。
通過將金屬電極施加到石英材料上,振動夸克的總質量也隨之改變其自身頻率。由于氧化效應或外來物質附著在電極材料上,電極質量可能會隨著時間的推移而進一步變化。石英材料和膨脹金屬層的表面形成多孔表面,很容易將異物附著在上面。這種效應可以通過在石英外殼中填充氮氣和氫氣的惰性氣體混合物來減輕。然而,例如,石英軸承上的石英粘合劑的排氣可能會導致時間相關的老化效應。
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作用于石英的機械力(機械應力)也會導致衰老效應。石英晶振晶體本身由高度有序的晶格組成。制造過程中的加工過程,如鋸,研磨或拋光,會部分擾亂這些晶格,從而改變石英材料的物理特性。隨著時間的推移,晶格中的松弛效應會消除這些缺陷或晶格錯誤,從而導致頻率變化(老化)。此外,將石英懸掛在外殼中會產生機械應力,石英材料必須適應。石英軸承,導電膠和石英的連接在操作過程中越來越匹配,在一定的輸入時間后,只檢測到諧振頻率的微小變化,并保持接近穩定的狀態。
振動夸克在第一年的典型老化值是: 已 電阻焊接外殼:1-5 ppm/a 冷焊外殼:0.05 – 1 ppm/a
電平依賴性是共振頻率對通過振動夸克傳導功率的依賴性,通過改變電平,共振和相位曲線會發生變化。通常,諧振頻率與功率之間存在線性依賴關系,其影響大約為 10-9/μW,對于 SC 截面中的石英,其影響通常小于 AT 截面。特別是當水平隨著時間的推移而波動或偏離時,會出現問題。
一般來說,應始終在其設計和制造的水平下運行。較高的控制電平產生不需要的振動模式,導致頻率溫度特征線的嚴重惡化,加速老化,并可能由于諧振器過熱而改變頻率。通過過載完全破壞石英也是可能的。
活動點差的特點是偏離三階頻率-溫度曲線。特別是對于TCXO晶振的晶體,崩潰會導致問題,因為它們在很寬的溫度范圍內運行。 活動點滴是由機械連接引起的不良模式引起的。在這里,兩種不同的模式具有不同的溫度行為,在給定的溫度下交叉。在這一點上,振動能量部分地從所需的模式轉移到不需要的模式。 入射受諧振器設計、控制電平和振蕩器電路條件的影響。
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