Fortiming晶振公司浅谈石英晶体谐振器的基本技术。石英晶体谐振器(通常称为“晶振”)由于其无与伦比的高Q，稳定性，小尺寸和低成本的组合而广泛应用于频率控制应用。许多不同的物质已经被研究作为可能的谐振器材料，但多年来，石英谐振器在满足精确频率控制的需要方面一直是首选。与其他谐振器相比，例如LC电路，机械谐振器(如音叉)和基于压电陶瓷谐振器或其他单晶材料的谐振器，石英谐振器具有独特的性能组合。

首先，单晶石英的材料特性随着时间、温度和其他环境的变化而非常稳定，并且从一个样品到另一个样品具有高度可重复性。石英的声损失或内耗非常低，这直接导致了石英晶振的一个关键特性，即极高的Q因子。石英在1mhz时的本征Q约为107。安装的谐振器通常具有从数万到数十万的Q因子，这比最好的LC电路要好几个数量级。

石英谐振器的第二个关键特性是其相对于温度变化的稳定性。根据晶坯的形状和方向，可以使用许多不同的振动模式，并且可以通过适当的选择将石英谐振器的频率-温度特性控制在接近的范围内。最常用的谐振器类型是at切割，其中石英坯以薄板的形式切割，与晶体的光轴成约35°15'的角。

石英谐振器的第三个基本特性与其机械性能的稳定性有关。短期和长期的稳定性表现为每年只有百万分之几的频率漂移，这很容易从商业单位获得。在严格控制的条件下制造的精密晶体单元在频率稳定性和精度方面仅次于原子钟。

石英石板材方位

石英晶振由适当安装和金属沉积的晶体石英板组成，利用体声波(BAW)振动。最初，石英板是由天然石英制成的，但今天，人工培养的石英几乎完全被使用。薄片(也称为晶圆片或毛坯)是相对于石英材料的结晶轴在一个精确的方向上制造的。方向或“切割”决定了谐振器的频率-温度特性和其他重要特性。

以上是用于制造at切割谐振器的由y取向种子晶体生长的培养石英晶体的示意图。种子晶体建立了最初的晶体取向，并以牺牲z轴为代价促进了Y方向的生长。晶种是经过精心挑选的，以避免在晶体生长过程中可能产生的缺陷。表明了晶种的位置。从x轴向左倾斜的线表示AT板的锯切位置，向右倾斜的线表示bt切割。在实践中，这些角度是非常关键的，并使用布拉格x射线衍射精确确定。

振动模式

石英石板，像所有的板一样，有许多振动模式。如下图所示，有三种基本的振动模式。

(a)弯曲模式(弯曲或弯曲);切口:5°X, NT;频率~ 100khz。

(b)拉伸模式(沿板长度方向的位移);切割:MT, GT;频率:40 - 200khz。

(c)剪切模式(两个平行平面向相反方向滑动)。该模式细分为:

脸剪切;切口:CT、DT;频率:100 - 600千赫。

厚度剪切;切割:AT, BT, SC;频率:1 - 30mhz(基频);30 - 90 MHz(三次谐波泛音模式);60 - 150 MHz(5次谐波泛音模式);等。

Fortiming晶振公司浅谈石英晶体谐振器的基本技术。适当定向的电极激发所需的振动模式。虽然已经开发了大量不同的切割，但有些只用于低频，有些用于频率控制以外的应用，还有一些已经被后来的发展淘汰了。除了用于石英手表和时钟的低频音叉32.768K外，当今应用中几乎所有的石英谐振器都使用厚度剪切模式。在大约1mhz以上的频率，主要使用At -cut和SC-cut。对于低于1mhz的频率，厚度模式谐振器通常因为尺寸而变得不切实际，因为空白直径必须远远大于厚度。

AT和SC切割谐振器频率

Fortiming晶振公司浅谈石英晶体谐振器的基本技术。厚度-剪切谐振器的基频与其厚度成反比。晶坯越薄，频率越高。在第三次、第五次谐波等泛音处有额外的共振，其频率近似于基本共振频率的奇数倍，但不是精确的。石英晶体谐振器通常被设计为优化这些共振中的一个或另一个的特性，例如基频或第三泛音，但其他泛音必须仍然存在。at -cut通常在1 MHz至250 MHz及以上的频率范围内制造，并且在此范围内通常是大多数应用的最佳选择。然而，AT-cut对谐振器体内的应力很敏感，无论是由外部温度快速变化引起的温度梯度引起的，还是由外力引起的。对于需要极端稳定性的应用，这种应力敏感性是一个缺点，并且已经开发出新的晶体切割，例如SC(应力补偿)切割，可以最大限度地减少这些影响。sc切割晶体是双旋转晶体家族中的一种(石英晶体以相对于三个结晶轴中的两个的角度切割)。家族中的其他成员包括IT-cut和FC-cut。SC-cut的特殊角度(35°15 ø ~ 21°54)提供了最大的应力补偿，代表了最佳的双旋转设计。SC-cut也是一种厚度模式谐振器，因此基本上可以在与AT-cut相同的频率范围内使用，但由于制造工艺困难，其商业可用性受到更多限制。

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