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石英晶振基本模式和工艺特性

来源:http://www.jinluodz.com 作者:金洛鑫电子 2018年12月22
  国外进口的石英晶振在我国一直以来都非常受欢迎,尤其是日本,美国和台湾等地生产的谐振器和石英晶体振荡器比较热销,不少用户都是指定这三个地区的某个品牌的晶体,振荡器。目前热门的美国晶振品牌有Abracon晶振、ECS晶振、CTS晶振、STM晶振等,而且美国也是全球第一个开始研发晶体并加以利用,最终成为各类产品重要的电子元器件。制造一颗晶体并是一件容易的事,生产流程和加工工艺有很多种,接下来的内容就是部分关于石英晶体和有源晶体振荡器系列一些制造技术。
  石英晶体在几种同时谐振模式下自然振动,这些谐振模式称为基波或泛音模式。通常,这些模式中的一个被设计成在期望的工作频率下占主导地位。振动的基本频率是谐振器物理尺寸和切割角度的函数。泛音模式在基本模式的奇数谐波,并包括3次,5次,7次,9次,11次。滤波器中可获得的最大带宽和振荡器中的大调谐范围与电容比成反比,r=Co/C1,r随着泛音的平方增加。因此,使用基模谐振器可以获得比具有第三或更高泛音的更宽带宽或更大的调谐范围。基本模式谐振器用于大多数滤波器,温度补偿振荡器(TCXO)和压控振荡器(VCXO),其中所需的带宽或调谐范围使得泛音设备不合需要。基本原理也用于许多简单的振荡器,例如频率高达约35MHz的时钟振荡器。在较高频率下,泛音对于该应用来说更经济。
  目前的石英晶振制造工艺限制了石英板的研磨,使得可靠地实现的最高基模频率通常约为45MHz。在该频率下,AT切割石英板的厚度小于0.037mm,并且使用常规技术进一步研磨是不实际的。已经开发了几种方法来通过从板的中心去除一些石英质量来增加可实现的基本模式频率。这种所谓的“倒置台面”提供了更薄的有源区域,并且通常通过化学或等离子体/离子蚀刻来实现。这些工艺可以产生高质量的高频基波(HFF)模式晶体,达到170MHz甚至更高。基本模式晶体通常具有比相同频率的泛音模式晶体更大的C1值;因此,它们对于需要更高可牵引性的VCXO晶振等应用非常有用。高频基本石英空白也广泛用于滤波器应用,其中它们提供比相同频率的泛音晶体更好的寄生模式响应。
  在给定的工作频率下,石英晶体老化和Q随着更高的泛音而改善。出于这个原因,烤箱振荡器(OCXO)经常使用泛音谐振器。通常使用第3或第5泛音。适应谐振器频率容差和老化特性所需的调谐范围限制了最大有用泛音。
虚假模式
  非基波或泛音模式的振动被称为杂散或不需要的模式。可以调整晶片的设计,电极图案和金属化量以抑制这些不需要的模式。
http://www.4timing.com/images/spuriousmode.gif
  如果响应与主模式一样强,则假模式可能成为问题。当发生这种情况时,石英晶体振荡器可以在支线而不是主模式上运行。这称为模式跳跃。杂散模式应指定为主模式的电阻比或dB抑制。通常,电阻比为1.5或2.0比1,大约等于-3dB至-6dB,足以避免大多数振荡器的模式跳变。
  晶体的基本模式可以实现最佳的杂散抑制,而泛音响应更难以控制。出于可推动性原因需要更高C1体积的设计也可以牺牲杂散模式抑制。对于晶体滤波器应用,采用低C1设计的基模可以实现低至-40dB的杂散模式抑制。
  寄生模式在主模式之上发生在几百千赫兹之内。响应可能如上图所示。在振荡器应用中,振荡器通常选择最强模式。一些不需要的模式可能具有陡峭的频率与温度特性。有时,随着温度的变化,在某个温度下,不需要的模式的频率与石英晶体振荡器频率一致,这导致所谓的“活动下降”。在活动下降时,不需要的模式的激励导致谐振器中的额外能量耗散,这导致Q的减小,等效串联电阻的增加以及振荡器的频率的变化。当电阻增加足够大时,振荡可能停止,即振荡器失效。当温度远离活动倾角温度时,振荡可以重新开始。可以通过适当的设计和制造方法来控制不需要的模式。保持电极和谐振器板尺寸之间的正确关系(即,应用能量捕获规则),以及保持谐振器板的主面之间的平行度,可以使不需要的模式最小化。
频率-温度特性
  频率-温度特性定义了石英晶体谐振器的谐振频率如何随温度变化而变化。对于AT和SC切割谐振器,发现由于温度变化引起的频移可以用以下形式的三次曲线表示:
Df/f0=a0(T-T0)+b0(T-T0)2+c0(T-T0)3
  T是温度变量,T0是拐点温度,AT切割约为25°C,SC切割约为92°C。系数a0,b0和c0是频率的第一,第二和第三阶温度系数,它们是取决于石英特性和切割角度的常数。上面的等式给出了如下所示的一系列曲线,用于相对切割角的四个值。这些曲线表明谐振器可以设计成在宽温度范围内提供相对小的频率变化。
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AT切割频率与温度曲线
http://www.4timing.com/images/sctempcurve.gif
SC切割频率与温度曲线
  两种切割都适用于温度控制(烘箱)应用。此外,由于AT切割拐点温度(To)约为25°C,因此广泛用于不受控制的温度应用,如滤波器和非恒温晶振。两个切口振动厚度模式,可以被设计为具有非常低的安装损失,并因此提供了卓越的Q(高达1.5×106在10MHz,并在300MHz的35×103)和随时间的稳定性(实施例1×10-10/天,10MHz)。
老化和漂移
  根据CCIR(国际电台咨询委员会)建议的术语和定义,可以通过以下方式确定老化和漂移。衰老是由于振荡器内部变化引起的频率随时间的系统变化,即当振荡器外部因素(环境,电源等)保持恒定时频率随时间的变化。漂移定义为振荡器频率随时间的系统变化,即漂移归因于多种因素的组合,即由于老化加上环境的变化以及振荡器外部的其他因素。衰老是指定的,以及在振荡器评估期间测量的内容。漂移是人们在应用程序中观察到的。例如,
  衰老涉及许多相互关联的因素。一些最常见的是:内部污染,晶体表面变化,导线疲劳,晶格中的小的不可逆变化,材料的放气,各种热效应,安装应力和过度驱动晶体。典型的老化数字为10~20MHz的是1.0的频率范围内工作的金属外壳晶体单元-5.0PPM/1日年;而玻璃外壳晶体的值为0.1-1.0ppm/1styesr。
AT切割与SC切割
  在许多可用的晶体切割类型中,大多数应用使用AT切割或SC切割石英晶体谐振器,并且在许多情况下,两种切割都是候选。值得根据八个特征进行比较:
周转温度:
  对于OCXO应用,晶体可以在其两个转换温度中的任一个下操作。SC切割在两个重要方面优于AT切割。首先,SC切割的f-T曲线在转换温度附近比由三个温度系数确定的AT切割更平坦。其次,真正的SC切割对温度梯度的敏感性要小得多,从而可以更快地进行预热。这些特性使其成为精密振荡器应用的首选。
静态f-T特性:
  AT和SC切割谐振器都具有静态频率-温度特性,其由温度的三阶多项式很好地描述。对于AT切割,曲率改变符号的拐点温度在室温的几度内。换句话说,f-T曲线在接近25°C的温度下近似反对称。这使得AT切割适用于非温控应用,例如简单的振荡器和温补振荡器。相比之下,SC切割谐振器的拐点温度为92°C。大多数SC切割用于OCXO,其中较高的拐点温度产生重要的优点,即,在炉子设定点附近fT曲线非常平坦,其被调节到谐振器上部或下部的周转温度。所以,温度控制不如使用AT切割晶体那么重要。SC-cut的f-T特性的其他优点是它与活动倾角的相对自由度。
动态fT特性(热瞬态效应):
  当对环境温度进行阶跃变化时,SC切割谐振器的频率以对应于临界阻尼系统的方式平滑地改变,而没有过冲或振铃。另一方面,AT切割动态f-T特性具有非常明显的过冲和橡皮筋效应。为OCXO选择SC切割的一个重要原因是它大大改善了动态,事实上,这是正确设计的基于SC切割的OCXO的标志。
老化:
  如果我们比较相等的频率和泛音,由于其略微更大的厚度,SC切割略好于AT切割。然而,这种差异通常是微不足道的。由于SC的较大电流处理能力使其频率对电流变化不太敏感,因此在OSC晶振中SC切割可能表现出更好的老化。
当前处理:
  这指的是在没有显着(可逆)频率变化的情况下可以操作谐振器的最大电流。通常,这对于SC切割而言明显高于AT切割谐振器。振荡器应用的后果是通过操作更高的电流来改善相位本底噪声,并降低对驱动电平变化的灵敏度,这可能影响振荡器频率的老化。
阻抗等级:
  如果我们比较具有相同频率和谐波的AT切割和SC切割谐振器,SC切割谐振器的运动电感(L1)和动态电阻(R)将显着高于AT切割谐振器,而运动电容(C1)将以相同的比例降低。静电容(C0但是,对于这两者来说几乎是一样的。对于振荡器应用,如果老化很重要,则需要高阻抗,因为它降低了维持电路对振荡器频率的影响。权衡是高谐振器阻抗降低了振荡器频率的调谐范围,限制了制造公差和老化的校正。在VCXO中,老化最多是次要考虑因素,因此所需的调谐范围将决定最高的实际泛音。对于任一切割,阻抗水平大致上升为给定频率的泛音的平方,但也取决于谐振器设计的细节。
尺寸:
  对于大多数应用,AT切割和SC切割谐振器封装的尺寸相同。
成本:
  由于更紧密的定向公差,SC切割的石英晶振制造成本比AT切割更昂贵,但对于高性能应用而言,这种成本远远超过了烤箱复杂性的节省,并且对于许多应用而言,SC切割是唯一的选择。对于热瞬态特性不太重要的一些应用,可以使用修改的(近)SC切割。这提供了与真正的SC切割基本相同的f-T曲线,但允许更宽松的定向公差,从而以牺牲热瞬态性能为代价提供一些成本节省。通常,从92°C大幅度去除To的切口将不能提供注意到真正SC切割的热瞬态性能。
石英转向民谣谐振器/观看水晶
  用于手表的石英谐振器的要求是:体积小,功耗低(包括振荡器),成本低,稳定性高(温度,老化,冲击,姿态)。32.768kHz石英转叉式谐振器可满足这些要求。有趣的是,知道32768=215或1Hz=32768/215。在模拟手表,一个步进电机每秒接收一个脉冲,其通过6前进第二销,即1/60个圆每秒的。32.768kHz是尺寸,功率要求(即电池寿命)和稳定性之间的折衷。
  石英腕表通常在按照预期佩戴时足够精确,即在手腕上运动约16小时,并且每天从手腕上运动约8小时。当手表长时间离开手腕时,晶振精度会降低。存储温度越远离最佳温度,手表损失的时间越快。在极端温度下,例如在-55°C的冰箱中,或在沸水温度下,手表每天损失约20秒。
  手表中使用的谐振器的切割角度使得零温度系数在~25°C,如下面的f-T曲线所示。基于手表在手腕上和手腕上时的典型持续时间和温度,已经发现这提供了最高的准确概率。
石英晶体谐振器的密封类型
焊锡密封
  焊料密封包具有几个优点。它们具有比其他类型更低的引线到电容电容,因此在一些需要最小结电容的滤波器设计中使用。此外,可以打开包装进行返工,这有时有助于满足困难的过滤器要求。它们的主要缺点是它们在不引入污染的情况下不能被密封,因此它们往往具有相对差的频率稳定性。
电阻焊接
  这些封装需要比焊接密封更复杂的密封设备,但密封过程引入的污染更少,从而提高了频率稳定性。电阻焊接包具有多种类型,并且都是长期性能的经济选择
SeamWeld
  缝焊密封是目前生产陶瓷基座/金属盖薄型SMD晶体和振荡器的最广泛使用的方法。性能和成本与那些电阻焊接封装类似。
环氧密封
  环氧密封封装广泛用于大批量和低成本的贴片晶体。频率稳定性能不如缝焊和电阻焊部件好。
冷焊
  冷焊密封是一种精密的性能封装,价格稍贵,但密封工艺几乎不会产生污染,从而产生出色的谐振器频率稳定性和电气性能。
全石英套餐
  全石英封装技术用于制造具有非常薄的外形和非常高的抗冲击性的表面安装谐振器。这种密封包装的可用性相当有限。
基本模式“AT切”晶体的详细频率温度曲线
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  上述曲线代表一系列AT切割晶体的频率与温度特性。通过控制相对于角度(35°15')的晶体切割角度来完成每个编号曲线,并且每条曲线是一分钟的变化。LTP表示低温转换点;而UTP表示温度上限转换点。

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