石英谐振器的原理与应用

目录

一、石英谐振器概述

二、石英谐振器的工作原理

2、1石英晶体材料

2、2 石英晶体的压电效应

2、3 石英晶体的切型

2、4 石英片的基本振动模式（常见）

2、5 各种切型的频率温度特性

2、6 石英谐振器的组成和特性

2、7 石英谐振器的稳频条件及应用须知

2、8 石英谐振器的常用电参数的符号和意义

2．9 石英谐振器的常用测量方法

2．10 石英晶片的制造流程

2．11 石英晶体谐振器的制造流程

三、选择石英谐振器应考虑的问题

3、1 频率的选择

3、2 使用环境条件的考虑

3、3 根据用途合理选用石英谐振器

3、4 正确选择负载电容

3、5 激励电平的选择和控制

3、6 使用石英谐振器应注意的事项

四、石英振荡电路的应用

4、1 石英振荡电路的组成

4、2 振荡电路的Cg/Cd的选择要点和相关外围元件的注意事项4、3 根据选定的Cg/Cd 值计算XTAL的负载电容CL值。4、4 Rf 值选取

4、5 Rd的选取

4、6 其它注意事项

五、石英产品的性赖性试验

六、失效原因分析

七、今后发展方向

一、概述:

压电效应是一八八零年由法国物理学家居里兄弟（皮埃尔居里和杰克居里）发现的。早期一战利用石英的压力效应制成强力超声波辐射器。二战时期利用石英晶体具有稳定的物理和化学性能，制成的元器件在稳频方面比其它元件显出突出的优越性，而广泛使用于通讯领域。

石英谐振器的稳频特性也不断提高，二战时可在10-6/周，19世纪50年代初10-8/周，19

世纪50年代末已可达10-9/周～10-10/周。

随着通信发展和制造技术的发展，石英谐振器的频率范围也逐渐向上发展从100KHZ ～10MHZ ，以后发展到数百MHz ，3RD 发展到1G 以上，5th 发展到2GHz 以上。

石英谐振器的使用范围也从军事领域发展民用各使用频标或时标领域如：电子表，电子玩具，彩电，收发讯机，家用电器，PC 机等各领域。

石英谐振器的产品体积也不断地缩小，从传统的大尺寸发展到J1，49U ，49S ；直到近年来发展SMD 表面贴装，尺寸进一步缩小，从7050，6035，5032，发展到4025，3225，2520，2016，已能够适应安装于更小型、微型的产品中去。

二、石英谐振器的工作原理：

2．1 石英晶体材料

石英是人造的二氧化硅（SiO 2 ）结晶体，因其形态晶莹透明如水，所以也称“水晶”。由于天然水晶矿藏稀少，且常见的疵病较多，如：裂痕，气泡，包裹体，蓝针，双晶等。而制造石英谐振器的材料必须保证内部没有缺陷，否则会严重影响石英谐振器的性能。在人工合成水晶工业生产成功后，大部分石英谐振器都用人造水晶制造，从而降低成本，满足电子发展的需要。

（A ） 石英晶体的晶面和轴向

一个理想的石英晶体的外

形，中间是个六面棱柱体，二端

为两个六面棱锥体。石英晶体有

六个柱面（M 面），六个大柱面

（R 面），六个小棱面（r 面），

六个X 面和六个S 面，总共有

30个晶面。

石英晶体分左旋和右旋，

互称镜面对称，左右旋石英在物理上也呈镜象对称关系。

晶体按其结构对称，可分为七大晶系和32种对称类型（也称晶群），其中有十二类因其对称程度太高而无压电效应，另外二十类具有压电效应。石英晶体属于三角晶系32点群。

石英晶体的轴向，按其物理特性把X 轴称为电轴，因为该方向具有压电效应；把Y 轴称为机械轴，因为在Y 轴方向只产生形变而无压电效应；把Z 轴称为光轴，因为光线沿Z 轴方向不产生双折射现象。

（B ） 石英晶体的物理化学特性

石英晶体是各向异性结构晶体，轴向不同，物理化学性质也不同。石英晶体的主要物理特性，当温度为20℃时，它的密度为2.65g/cm 3，一级密度温度系数为-36.4×10-6/℃，硬度

是

莫氏硬度7级，平行于Z轴的线胀导数为7.8×10-6/℃，垂直于Z轴的线胀导数为14.3×10-6/℃；平行于Z轴的介电常数为4.6，垂直于Z轴的介电常数为4.5。

由于石英晶体在不同的温度范围内有不同的特性，在573℃以下称为α石英，它具有压电

效应，通常所说的石英晶体就是指α石英，α石英的相变点为573℃。在573～880℃之间称

为β石英；但在制造和使用中应避免超过573℃。高于1710℃石英熔解成液体，该温度1710

℃就是石英晶体的熔点温度，结晶石英熔解后再冷却变成均质熔融石英，其反应是不可逆的，

熔融石英的线膨胀系数很小，约为0.5×10-6；密度Array降为2.2g/ cm3。

石英晶体具有很强的抗腐性，只溶于氢氟酸，

因此它的化学性能很稳定。

2．2 石英晶体的压电效应

石英晶体在压力作用下产生形变，同时产生电

极化。其极化强度与压力成正比。这种现象就称“正

压电效应”。反之，在电场作用下，晶体产生形变，

其形变大小与电场强度成正比，这种现象称“逆压电

效应”。在二十类具有压力效应的晶体中，石英晶体

是无线电通讯设备中最为满意的材料之一。它的机械

强度高，物理化学性能稳定，内损耗低等，用它制成

的器件被广泛用在频率控制和频率选择电路中。

附图：石英晶体的压电效应

2．3 石英晶体的切型

由于石英片的取向不同，其压电特性、弹性特

性和强度特性就不同，用它来制造的谐振器的性能

也不一样，经过前辈的大量研究，已发现了几十种

有用的切割方式。

切型的习惯表示方法：AT，BT，CT，DT，ET，FC，SC，LC等。

2．4 石英片的基本振动模式（常见）

（A）伸缩振动