石英晶体元器件概述
石英晶体元器件简介演示
未来石英晶体元器件将不断涌现出新的技术创新，推动市场不断升 级和变革。
行业整合
随着市场竞争的加剧，石英晶体元器件行业将出现整合现象，优势企 业将进一步巩固市场地位。
05
石英晶体元器件的选型与使用 注意事项
选型原则与标准
性能参数匹配
选择满足电路性能要求的石英晶 体元器件，确保其频率、温度系 数、负载电容等参数符合设计要 求。
通过石英晶体元器件，可以确保电子 设备中的电路运行在准确的频率上， 从而提高设备的性能和稳定性。
石英晶体传感器的应用
石英晶体传感器利用石英晶体的压电效应，将物理量（如压力、加速度、温度等 ）转换为电信号。
这些传感器在工业自动化、环境监测、航空航天等领域有广泛应用，用于测量和 监控各种物理量。
石英晶体谐振器的应用
石英晶体谐振器利用石英晶体的振荡特性，产生高精度和高 稳定的振荡信号。
在各种电子设备和通信系统中，石英晶体谐振器被用作时钟 源或参考频率源，确保系统正常运行。
03
石英晶体元器件的制造工艺
石英晶体元器件的制造工艺
• 石英晶体元器件，也称为石英晶体振荡器（Quartz Crystal Oscillator, QCO），是一种利用石英晶体（通常为天然或人造 石英）的压电效应产生振荡的电子元件。由于其具有高精度、 高稳定性和长寿命等优点，石英晶体元器件广泛应用于通讯、 导航、计算机、家电及工业控制等领域。
04
石英晶体元器件的市场与发展 趋势
市场需求与竞争格局
市场需求
随着电子设备的发展，石英晶体元器件市场需求持续增长，尤其在通信、导航 、消费电子等领域。
竞争格局
石英晶体元器件市场呈现多极化竞争格局，国内外知名品牌和中小企业均有参 与，竞争激烈。
石英晶体频率元器件
石英晶体频率元器件石英晶体频率元器件是一种广泛应用于电子设备中的元器件，它具有稳定、精度高、可靠性强等特点，在通信、计算机、无线电等领域中发挥着重要作用。
石英晶体频率元器件是一种基于石英晶体的谐振器，通过利用石英晶体的特殊物理性质来实现频率的稳定和精确。
石英晶体具有压电效应和逆压电效应，当施加外力或电场时，石英晶体会产生相应的机械应变或电荷分布变化。
这种机械应变或电荷分布变化将导致石英晶体的压电振荡，从而产生稳定的频率。
石英晶体频率元器件通常由石英晶体谐振器、振荡器电路和频率分频电路等组成。
石英晶体谐振器是石英晶体频率元器件的核心部件，它由石英晶体片、电极和封装等组成。
石英晶体片是石英晶体谐振器的振荡源，通过对石英晶体片施加电场或机械应力来产生振荡信号。
电极用于对石英晶体片施加电场或接收振荡信号。
封装用于保护石英晶体谐振器，防止外界干扰。
振荡器电路是石英晶体频率元器件的控制部分，它通过对石英晶体谐振器施加适当的反馈，使其产生稳定的振荡信号。
振荡器电路通常由放大器、反馈电路和调谐电路等组成。
放大器用于放大石英晶体谐振器的振荡信号，增加其能量。
反馈电路用于将一部分振荡信号反馈给石英晶体谐振器，使其保持振荡。
调谐电路用于调节石英晶体谐振器的频率，使其达到所需的数值。
频率分频电路是石英晶体频率元器件的辅助部分，它用于将石英晶体谐振器的高频振荡信号分频得到所需的频率。
频率分频电路通常由计数器、分频器和锁相环等组成。
计数器用于计数石英晶体谐振器的高频振荡信号。
分频器用于将计数器的输出信号分频得到所需的频率。
锁相环用于将石英晶体谐振器的频率与参考信号的频率同步，从而实现频率的稳定和精确。
石英晶体频率元器件具有很多优点。
首先，它具有高稳定性和高精度，能够在广泛的温度范围内保持稳定的频率输出。
其次，石英晶体频率元器件的频率可调范围广，可满足不同应用的需求。
此外，石英晶体频率元器件还具有体积小、功耗低、抗干扰性强等特点，适用于各种严苛的工作环境。
晶振选型与应用知识
石英晶振选型与应用知识石英晶体是压电晶体的一种，沿着特定的方向挤压或拉伸，它的两端会产生正负电荷，这种效应称为正压电效应；相反，对晶体施加电场导致晶体形变的效应，称为逆压电效应。
所以在石英晶片两面施加交变电场，晶片就会产生形变，而形变又会产生电场，这是一个周期转换的过程。
对于特定的晶片，这个周期是固定的，我们利用这个周期来产生稳定的基准时钟信号。
石英晶体元器件，是利用石英晶体的压电效应实现频率控制、稳定或选择的关键电子元器件。
包括石英晶体谐振器、石英晶体振荡器和石英晶体滤波器。
在石英晶片的两面镀上电极，经过装架、调频、封装等工序后制成石英晶体元件。
石英晶体元件与集成电路等其它电子元件组合成石英晶体器件。
本文主要介绍石英晶振：即所谓石英晶体谐振器（无源晶振）和石英晶体振荡器（有源晶振）的统称。
一般的概念中把晶振就等同于谐振器理解了，振荡器就是通常所指钟振。
石英晶振是一种用于稳定频率和选择频率的电子元件，已被广泛地使用在无线电话、载波通讯、广播电视、卫星通讯、仪器仪表等各种电子设备中.一、石英晶振的型号命名方法1.国产石英晶体谐振器的型号由三部分组成：–第一部分：表示外壳形状和材料，B表示玻璃壳，J表示金属壳，S表示塑料封型；–第二部分：表示晶片切型，与切型符号的第一个字母相同，A表示AT切型、B表示BT切型，–第三部分：表示主要性能及外形尺寸等，一般用数字表示，也有最后再加英文字母的。
JA5为金属壳AT切型晶振元件，BA3为玻壳AT切型晶振元件。
2石英晶体振荡器的型号命名有四部分组成：.–第一部分：主称用大写字母Z表示石英晶体振荡器；–第二部：类别用大写字母表示，其意义见下表：–第三部分：频率稳定度等级用大写字母表示，其意义见下表：–第四部分：序号用数字表示，以示产品结构性能参数的区别从型号上无法知道晶振元件的主要电特性，需查产品手册或相关资料才行。
二、石英晶振的结构特点1.石英晶体谐振器一般由外壳、晶片、支架（金属座）、外引线、引线等组成。
石英晶振频率
石英晶振频率石英晶振频率是指石英晶体在电场作用下产生的机械振动频率。
它是现代电子技术中广泛应用的一种基础元器件，被广泛应用于通信、计算机、仪器仪表等领域。
本文将从以下几个方面详细介绍石英晶振频率。
一、石英晶体的基本结构和性质石英晶体是由SiO2分子通过共价键连接而成的晶体，具有高硬度、高化学稳定性、高温稳定性等特点。
其结构为三角形六方晶系，具有对称性和周期性。
二、石英晶振频率的产生原理当外加电场作用于石英晶体上时，会使其分子发生机械振动，并且在某些特定条件下，这种振动呈现出固有频率。
这个固有频率就是所谓的石英晶振频率。
三、影响石英晶振频率的因素1. 晶体尺寸：尺寸越小，固有频率越高。
2. 晶体厚度：厚度越薄，固有频率越高。
3. 晶体形状：不同形状的晶体具有不同的固有频率。
4. 晶体纯度：晶体纯度越高，固有频率越稳定。
5. 温度：温度变化会改变晶体的物理结构，从而影响固有频率。
四、石英晶振频率的应用1. 通信领域：用于无线电通信、卫星通信等领域，作为时钟源、频率合成器等元器件。
2. 计算机领域：用于计算机内部时钟源、CPU时钟等元器件。
3. 仪器仪表领域：用于精密测量仪器、医疗设备等领域，作为稳定的时钟源和频率源。
五、石英晶振频率的发展趋势随着科技的发展和需求的不断增加，对于更高精度、更高稳定性的石英晶振频率的需求也越来越大。
目前已经出现了各种新型石英晶振器件，如MEMS型石英振荡器、表面声波滤波器等。
这些新型设备在小尺寸、低功耗、高可靠性等方面都具有优势，将会在未来的应用中得到更广泛的应用。
六、总结石英晶振频率是现代电子技术中不可或缺的基础元器件，其固有频率受到多种因素的影响。
随着科技的不断发展，对于更高精度、更高稳定性的石英晶振频率需求也越来越大。
未来随着新型石英晶振器件的出现，石英晶振频率在各个领域中将会得到更广泛的应用。
石英晶体器件选用指南
石英晶体器件选用指南厦华电子研发中心 薛 元为了进一步降低开发成本、促进设计标准化以及便于公司物料管理，特编写此指南，以便各位设计师在后续的新品开发中选择适合产品的石英晶体器件。
1概述石英晶体器件是现代电子元器件领域应用最广泛的基础元件之一，可广泛用于各种电子技术应用方面。
它是用压电单晶石英（即水晶）制成的压电器件，不仅具有高度稳定的物理化学性能，而且弹性振动损耗极小。
与其它电子器件相比，压电石英晶体还有着很高的频率稳定度和高Q值（高达数百万），其主要原材料人造石英水晶的价格又较低，这些十分突出的优点，使其成为稳定频率和选择频率的重要器件。
我司目前主要使用的石英晶体器件主要包括了石英晶体谐振器（Quartz Crystal Resonator）和石英晶体振荡器（Quartz Crystal Oscillator）。
2工作原理2.1压电效应若在石英晶片上施加机械压力，则在晶片相应的方向上会产生一定的电场，这种物理现象称为压电效应。
反之，若在石英晶片两极加一电场，晶片会产生机械变形，继而产生频率振荡，这就是逆压电效应。
晶振和钟振就是采用其逆压电效应制成的。
一般情况下，无论是机械振动的振幅，还是交变电场的振幅都非常小。
但是，当交变电场的频率为某一特定值时，振幅骤然增大，产生共振，称之为压电振荡。
这一特定频率就是石英晶体的固有频率，也称谐振频率。
因石英晶片在石英材料中的方位不同，电场设置不同，会产生不同的振动模式，有长度伸缩振动，弯曲振动，面切变振动和厚度切变振动。
在实际使用过程中，从适用频率范围、压电活力、频率温度特性以及加工难易程度等方面综合考虑，一般采用AT切型的厚度振动模式，BT切型厚度振动模式以及DT切型面切变振动模式，X+5°切型长度伸缩振动模式。
2.2等效电路作为一个电气元件，晶体是由一选定的晶片，连同在石英上形成电场能够导电的电极及防护壳罩和内部支架装置所组成，其等效电路如图1所示。
石英晶体的应用资料
石英晶体的应用一.石英晶体元器件的分类和相关术语石英晶体元器件一般分为三大类，即石英晶体谐振器，石英晶体振荡器和石英晶体滤波器。
1．1 石英晶体谐振器相关的术语标称频率晶体元件规范指定的频率串联谐振频率(Fs) 等效电路中串联电路的谐振频率并联谐振频率(Fp) 等效电路中并联电路的谐振频率负载频率(FL) 晶体带负载时的频率负载电容(CL) 与谐振器联合决定工作频率的有效外界电容静电容(C0) 等效电路中与串联臂并联的电容动电容(C1) 等效电路中串联臂中的电容动态电感(L1) 等效电路中串联臂中的电感动态电阻(R1) 等效电路中串联臂中的电阻频率精度工作频率与标称频率的偏差等效电阻(ESR) 谐振器与规定的负载电容串联的总阻抗频率温度特性频率随温度变化的特性室温频率偏差谐振器在室温下频率的偏差频率/负载牵引系数(Ts) 负载电容对频率影响的能力老化率晶体频率随时间的漂移Q值晶体的品质因数激励功率（电平）谐振器工作时消耗的功率激励功率依赖性(DLD) 谐振器在不同激励功率下参数的特性温度频率偏差频率随温度变化与标称频率的偏差工作温度范围谐振器规定的工作温度范围泛音晶体的机械谐波寄生响应晶体除主响应(主频率)外的其他频率的响应1．2 石英晶体振荡器石英晶体振荡器是目前精确度和稳定度最高的振荡器。
石英晶体振荡器是由品质因素极高的谐振器（石英晶体振子）和振荡电路组成。
晶体的品质、切割取向、晶体振子结构及电路形式等因素共同决定了振荡器的性能。
相关术语标称频率晶体元件规范指定的频率频率温度特性振荡频率随温度变化而改变的特性长期频率稳定度振荡器长时间工作频率的稳定性短期频率稳定度振荡器短时间工作频率的稳定性温度频率偏差振荡频率随温度的偏差室温频率偏差在室温时振荡频率的偏差起振时间振荡输出达到规定值的时间上升时间(方波输出）方波输出时波形从10%到90%所需的时间下降时间(方波输出）方波输出时波形从90%到10%所需的时间占空比(方波输出) 方波输出时正脉冲宽度占周期的百分比频率精度振荡频率相对标称频率的精确程度消耗电流振荡器工作时消耗的电流相位噪声信号中相位的随机变化量最大电压（方波输出）振荡器输出电压最大值最小电压（方波输出）振荡器输出电压最小值基准温度初始精度振荡器在规定基准温度下的振荡频率的精度频率—电压允差根据输入电压的最大，最小和标称值来确定频率—负载允差根据负载的最大，最小和标称负载来确定谐波与副谐波失真谐波和副谐波响应的程度杂波响应规定带宽内与杂波输出有关的非谐波响应耐过压能力振荡器经受120％规定电源电压的最大的过压能力峰-峰值（Vpp）输出电压最大与最小的差值负性阻抗晶体串联电阻,使振荡器从振到不振时的阻值当前石英晶体振荡器的发展，不仅表现在系列品种的增加和市场需求量的增长方面，而且体现在产品技术创新上。
跟我学识电子元器件(石英晶体)
无源晶体 无源晶体(Crystal)
– 石英晶体要和分立的阻容元件协同工作才能产 生振荡信号。我们经常使用的2引脚或者 引脚 引脚或者3引脚 生振荡信号 引脚或者 的晶振即是这种晶体。
三、石英晶体的工作原理
石英晶体所以能作谐振器是基于它的“压 压 电效应”。 电效应
– 若在晶片的两个极板间加一电场，会使晶体产 生机械变形；反之，晶片的机械变形又会在相 应方向上产生电场，这种现象称为压电效应 压电效应。 压电效应 – 如在极板间加交变电压，就会使晶片产生机械 变形振动，同时机械变形振动又会产生交变电 压。当外加交变电压的频率与晶片的固有谐振 频率(决定于晶片的尺寸)相等时，机械振动的 幅度将急剧增加，晶体振动幅度达到最大，同 时由于压电效应产生的交变电压也达到最大， 这种现象称为“压电谐振 压电谐振” 压电谐振
1. 等效电路和频率特性
感性 C C0 符号 L R1 容性
串联谐振频率
X fS fP
f
等效电路
并联谐振频率
电抗-频率特性 电抗 频率特性
2. 石英晶体谐振电路
串联型 并联型 f = fs，晶体呈纯阻 晶体呈纯阻 fs < f < fp，晶体呈感性 晶体呈感性
四、石英晶体的型号命名方法
国产石英晶体的型号由三部分组成：
六、石英晶体的检测与代换
用万用表检测晶体
– 一个质量完好的石英晶体，外观应很整洁、无 裂纹、引脚牢固可靠，其电阻值应为∞，若用 万用表测得阻值很小或为零，可以断定石英晶 体已损坏。但反过来不成立，即若用万用表测 得阻值为∞，则不能完全断定石英晶体良好。
用试电笔检测晶体好坏
– 用一只试电笔并将其刀头插入市电插座的火线 孔内，用手指捏住晶体的任一引脚，将另一引 脚触碰试电笔顶端的金属部分。若试电笔氖泡 发红，一般说明晶体是好的；若氖泡不亮，说 明晶体是坏的。
石英晶体介绍
石英晶体介绍石英晶体的基本知识水晶的成份SiO2，在常压下不同温度时，石英晶体的结构不同，温度T＜573℃时α石英晶体，当573℃＜T＜870℃时β石英晶体，熔点是1750℃，我们通常说的压电石英晶体指α石英晶体。
1、具有压电特性：压电效应：某些介质由于外界机械作用（如压缩，拉伸等等）而在其内部发生极化，产生表面电荷的现象叫压电效应。
逆压电效应：某些介质置于外电场中，由于电场的作用，会引起介质内部正负电荷中心的位移，导致介质发生形变，这种效应称为逆压电效应。
石英晶体在沿X 轴（或Y 轴）方向的力的作用时，在X 方向产生压电效应，而Y 和Z 方向不产生压电效应，X 轴称为电轴，Y 轴称为机械轴。
2、具有各向异性：石英晶体是一种良好的绝缘材料，导热系数在室温附近，沿Z轴方向是垂直于Z 轴方向的2 倍左右，沿Z 轴方向的线性膨胀系数a3 约为沿垂直于Z 轴方向线性膨胀系数a1 的1/2，其介电系数ε，压电系数d 等随方向的不同其数值也不同，在不同温度，导热系数K 与膨胀系数a 的数值也不同。
3、是外形高度对称的单晶体，其特征是原子和分子有规则的排列发育良好的石英晶体，外形最显著的特点是晶面有规则的配置，石英晶体的晶面共30 个，六个m 面（柱面），六个R 面（大棱面）六个r 面（小棱面）六个s 面（三方偏锥面)，六个X 面（三方偏面），相邻M 面的夹角度为60°，相邻M 面和R面的夹角与相邻M 面和r 面的夹角都等于38°13′，相邻s 面与X 面的夹角为25°57′。
石英晶体存在一个三次对称轴C 和三个互成120°的轴a、b、d，在讨论石英晶体的物理性质时，采用下图所示的直角坐标系较为方便，选C 轴为z 轴，a 或b、d）轴为X 轴，与X 轴Z 轴垂直的Y 轴，其指向按1949 年IRE 标准规定，对左右旋晶体均采用右手直角坐标系。
4、具有双折射现象：但当光沿Z 轴方向射入时不发生双折射现象，所以又称Z 轴为光轴。
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石英晶体元器件概述
一、前言
石英晶体俗称水晶，成分是SiO2，是一种重要的压电材料，可用于制造压电元器件。
例如：石英晶体谐振器、石英晶体滤波器、石英晶体振荡器、石英晶体传感器等。
二、石英晶体元器件的内容
三、晶振分类
根据晶振的不同使用要求及特点，通常分为以下几类：普通晶振、温补晶振、压控晶振、温控晶振等。
1、普通晶振（PXO或SPXO）：是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器，在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能。
特点：
●频率精度（准确度）：10-5～10-4量级
●标准频率：1～100MHZ
●频率稳定度是±100ppm。
●用途：通常用作微处理器的时钟器件、本振源或中间信号。
●封装尺寸： DIP14（21×14×6mm），SMD 7050、5032、3225、2520。
●价格：是晶振中最廉价的产品，
2、温补晶振（TCXO）：是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿，以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。
一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络。
特点：
●频率精度（准确度）：10-7～10-6量级
●频率范围：1～60MHz
●频率稳定度：±1～±2.5ppm
●封装尺寸： DIP14（21×14×6mm），11.4×9.6mm，SMD 7050、5032、3225、2520
●用途：通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。
●由于其良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面
优点，因而获行了广泛应用。
3、压控晶振（VCXO）：是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器，主要用于锁相环路或频率微调。
压控晶振的频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数两者的组合
特点：
●频率精度（准确度）：是10-6～10-5量级
●频率范围：1～30MHz
●频率稳定度：±50ppm
●用途：通常用于锁相环路
●封装尺寸：14×10×3mm或更小，SMD 7050、5032、3225、2520
4、恒温晶振（OCXO）：采用精密控温，使电路元件及晶体工作在晶体的零温度系数点的温度上。
将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。
特点：
●中精度产品频率稳定度为10-7～10-8
●高精度产品频率稳定度在10-9量级以上
●频率范围：1～200MHz
●主要用作频率源或标准信号
●封装尺寸：50×50，36×26mm，30×30，25×25，20×20，DIP14
四、石英晶体振荡器的发展趋势
1、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。
例如TCXO这类器件的体积缩小了30～100倍。
采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm，目前2.5×2.0mm尺寸的器件已经上市。
2、高精度与高稳定度，目前无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm，VCXO的频率稳定度在10-7℃范围内一般可达±20～100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001～5ppm，VCXO控制在±25ppm以下。
3、低噪声，高频化，在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。
目前OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。
除VCXO外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。
例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器，其频率为650～1700 MHz，电源电压2.2～3.3V，工作电流8～10mA。
4、低功能，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。
电源电压一般为3.3V。
目前许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2 mA。
石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。
例如日本精工生产的VG～2320SC型VCXO，在±0.1ppm规定值范围条件下，频率稳定时间小于4ms。
日本东京陶瓷公司生产的SMD TCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。
天马公司的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到±0.01 ppm的稳定度。
5、数字化技术应用，以往都是采取通过调整变容二极管的参数来改变晶体的振荡参数，达到高稳定频率输出，随着单片机技术的应用，实际上可以通过数字化来取代变容二极管的应用技术，从而实现高稳定频率输出。
现在市面上已经出现很多数字温补晶振即DCXO，如天马电讯的DX2116等产品已成功上市，两年来批量供货500KPCS。
由于采用了先进的数字化补偿技术，所生产出来的数字温补已达到中精度OCXO（俗称三级钟）的技术水平，在未来几年里，DCXO会逐步取代中级OCXO。
晶振资深高级工程师邓达贤 2009-3-28
QQ：1604769678。