压电器件设计制作

压电谐振器的老化
� 石英谐振器和压电陶瓷谐振器的性能参数（如 频率）随时间而变化的特性通常称为时间老 化，简称老化。这些性能参数的变化与时间的 对数大都近似呈线性关系。
压电谐振器的老化
� 石英谐振器老化的主要原因有两个
� 一是石英晶片质量的改变：晶片表面上微小石英粉末 的脱落、晶片表面上淀积杂质或尘埃、电极氧化及表 面有机物污染等都会造成晶片质量的改变，从而导致 其频率改变。 � 二是晶片表面和应力的释放：支架对晶片所产生的应 力、电极与晶片之间的应力会影响其老化特性。
§4.3 压电谐振器的假响应
� 寄生振动和高次泛音 一个一定形状的压电振子，其几何尺寸是有限的，对应于有限 的几何尺寸都有其固有谐振频率。 在外电场的激励下，压电振子会在各个方向上产生形变，当外 电场的频率等于某个方向上的固有谐振频率时，在该方向上发生谐 振，其振动的幅度最大。其它方向上的振动仍然存在，当幅度较小。 通常根据需求，都是利用振子的某一方向上的振动，将沿该方 向上的振动称为主振动模式，而其它方向上的振动是不需要的，我 们称之为寄生振动（或称为副振动）。 当振动的几何尺寸调整不合适时，寄生振动和其振动模式的高 次泛音就会干扰主振动模式，这种对主振动模式的耦合和干扰就会 导致杂波产生。所以，压电振子的几何尺寸选择不恰当是产生杂波 的重要原因之一。 一般来说，寄生振动是随电极尺寸的减小而减小，所以常采用 能陷振子来抑制寄生振动，但要精心设计能陷振子的电极。如果能 陷振子的电极尺寸设计、调整得不合适，也会产生模式干扰而出现 杂波。
石英晶体振子时间稳定性的改善
� 常采用如下措施来克服加工中的老化因素： 提高石英晶体的光洁度，减小表面吸附、防 止电极区域的污染； 加强退火与烘烤工艺，消除石英晶片表面及 电极膜中的应力； 消除一切形式的污染。
压电谐振器的温度特性
� 压电谐振器的频率温度特性与切型或所用压电 陶瓷的材料性质有关。一只理想压电谐振器的 频率温度特性可用一个单值函数来描写，如理 想石英谐振器的频率温度特性可用三次或二次 函数来描写。
0
s
0
s
C0
C0
1 2
R1
C1
（b）
C 13
R1
C1
L1
L1
C 23
工作原理
� 振荡电路通常由放大器和反馈电路组成。
Pi P'i
反馈电路
P "i
放大器
P0
负载
振荡器方框图 � 假设放大器的功率增益为G，反馈电路的反馈系数为， 输入功率为Pi，输出功率为P0，通过反馈电路的反馈功 率为P'i，于是实际加在放大器输入端的信号功率P"i为
§4.3 压电谐振器的假响应
� 激励电平 压电振子的谐振频率和激励电平高低有关， 随激励电平升高而谐振频率下降。过高的激励 电平，还可能使振子衰老，性能变坏。强烈振 动产生的超声辐射也会给压电振子的应用带来 一些不利影响。
§4.4 压电晶体振荡器
� 工作原理 � 石英晶体振荡器的电路 � 门电路晶体振荡器
|Z| |Z|
杂波
fr
fa
f
fr
fa
f
压电振子的谐振响应
压电振子的 假响应 压电振子的假
§4.3 压电谐振器的假响应
� 内部结构不均匀和外形不规则 振子外形不平整、内部不均匀，振子便成为 一个不均匀的分布参数系统，振动时振子各部 门截面上应力不均匀。这种不均匀的分布参数 系统将会导致振子的固有振动频率发生偏差， 从而产生假响应的杂波。
（b）
C 13
3
R1
C1
L1
L1
C 23
3
（a）
R1
简化的压电谐振器等效电路
C1 L1 （c）
（a）常用等效电路；（b）外壳不接地时的二端等效电路；（c）简单的二端等效电路
§4.2 压电谐振器的的稳定性
� 压电谐振器的老化 � 石英谐振器老化特性的改善 � 压电谐振器的温来自百度文库特性
§4.2 压电谐振器的的稳定性
§4.4 压电晶体振荡器
� 压电晶体振荡器通常是由压电晶体元件控制震 荡频率的正弦波振荡器。也可以制成非正弦波 的调频晶体振荡器。目前一般以石英谐振器作 为频率控制元件，它的机械品质因数可达到 105~106数量级，其相移随频率的变化∆φ/∆ω很 大，故石英晶体振荡器有很高的频率稳定度。 目前，晶体振荡器得频率稳定度范围在10-12~10-4 数量级。频率覆盖范围在几千赫兹到几百兆赫 兹，最高的可达吉赫兹数量级。它的优点是体 积小、重量轻、价格低、寿命长和可靠性高， 有极好的短期频率稳定度。
s e p1 p1 p2 p2
1 1 1 2 2 2
C pp
p1
e1
n
n
n
e2
p2
§4.1 压电谐振器的等效电路
C pp
1
Ce代表压电片两 Rs 电极间的电容 Lp1和Lp2代表这些 Cpp代表引线之间 Ce 的直接电容 结构的等效电感 R Lp1 Lp 2 Rp2 s代表压电片两电 p1 CR p1和Cp2分别代表 极之间的漏电阻 两根引线与环形接 分别代表 Ce1和 Ce2C R1 L1 1 地片（若为金属外 两个电极与环形接 Rp1和Rp2代表支 壳，则为外壳本身） R2 C2 L2撑压电片的安 地片（或金属外壳） 之间的电容 之间的电容 装结构的电阻
压电陶瓷振子的温度稳定性
� 变化规律 压电陶瓷都是铁电材料，在居里点以下，其 介电常数随温度的升高而增大，即压电陶瓷振 子的静电容温度系数为正。 压电陶瓷振子的Qe值与介质损耗电阻Rn有 关，随温度的升高，Rn减小，Qe减小。机电耦合 系数随温度升高而减小，振子的相对带宽随温 度升高而变化。
压电陶瓷振子的温度稳定性
压电谐振器的老化
� 对于压电陶瓷谐振器，除了上述老化机理以 外，由于压电陶瓷的介电、压电和弹性常数是 时间的函数，其老化效应更为明显。
压电谐振器老化特性的改善
� 人工老化可以加速时间稳定的过程，也就是 说，人工老化可以改善时间稳定性。
压电陶瓷振子时间稳定性的改善
� 常用的人工老化方法就是高温处理和高低温循 环处理，温度及时间的选择应随材料的成分及 极化条件而定。 高温处理的温度过高，将使振子的相对带宽 严重下降，且时间稳定性不一定好；温度过低 则起不到加速老化效果。 若用高低温循环的方法，一般说来，温差大 时效果较好。
石英晶体振子的温度稳定性
� 石英晶体振子的温度稳定性主要考虑决定其频 率稳定的频率温度稳定性。它与石英晶体的密 度、尺寸和弹性常数有关，各种切型和振动模 式振子的频率温度特性也各不相同。 � 振动模式不同，晶体振子的频率温度特性也不 同。
§4.3 压电谐振器的假响应
� 我们希望压电振子在谐振时，其频率响应是一平滑的曲 线。但是，往往振子的频率响应，除了主要谐振峰外， 还有小的谐振峰，使振子的响应特性出现波动，这些波 动称为假响应，或称杂波。产生杂波假响应的因素很 多，但主要来自振子内部结构不均匀和外形不规则、寄 生振动（副振动）模式和泛音及力学夹持状态等主要方 面。
Cp 1 Ce1 Rn Cn Ln C e2 Cp 2
2
3
3
压电谐振器的等效电路
§4.1 压电谐振器的等效电路
C pp Rs Ce
1
Rp 1
Lp1 R1 R2 C1 C2 L1 L2
Lp 2
R p2
2
Cp1
3
Ce1
Rn
Cn
Ln
C e2
Cp2
3
G 0=1/Rs G0=1/Rs C0
1 2
C0
R1
C1
� 压电谐振器的性能主要由振子的静电容C0、介 质损耗电阻Rn、机械品质因素Qm值、相对带宽 ∆f/f以及谐振频率fr等参数来描述，这些量与压电 材料参数及振子的振动模式有关。 � 任何一种压电材料，其性能都随时间、温度等 条件发生变化，所以用来描述压电振子谐振性 的各参数（如fr、∆f/f、Qm、C0等）都会随时间 和温度发生变化。故必须考虑这些参数的时间 稳定性和温度稳定性问题。
工作原理
� 在谐振频率附近，压电晶体振荡器实质上也是 一种LC振荡器。因为电感的Q值较小（102数量 级），故一般的LC振荡器的频率稳定度只能达 到10-3~10-4。石英谐振器具有很高的机械品质因 数Qm，因此能极大地提高振荡回路的有效Q值， 从而极大地提高振荡频率的稳定度。另一方 面，对于石英谐振器很易做到C1=0.01pF和 L1=0.1H，而实际的电容值却很难小到0.01pF， 且0.1H的电感不仅体积大，且绕线电阻也比较 大，故一般的LC振荡器无法与石英晶体振荡器 G =1/R 竞争。 G =1/R
P0 = GPi"
Pi" = Pi + Pi ' = Pi + βP0 P0 Pi = G (1 − Gβ )
故放大器的功率放大系数为
工作原理
� 如果反馈信号与输入信号的相位相同，则为正值。当 Gβ≥1时，即使去掉原来的输入信号，由于存在反馈信 号，仍有信号输出，即能持续进行振荡。其实，振荡器 刚开始激励时，电路里只有噪声电平，噪声信号中满足 振荡相位条件的频率信号经过周而复始地放大和反馈， 振幅持续增大，直至因为有源元件的非线性或外部电平 控制使放大器的增益下降以至振幅不再增大为止。振荡 频率会自动调整，以使振荡回路的总相移等于零或360°。 � 具有较大的电抗频率特性斜率的石英谐振器置于反馈回 路中，其阻抗随频率迅速变化，以至于所有其他电路元 件的电抗都可看作常数，因此石英谐振器对振荡频率的 影响最大。振荡频率自动调整，以使石英谐振器能给回 路提供一个满足相位需要的电抗。
压电谐振器的老化
� 晶片表面粗燥不仅会使极微小的石英粉末从表 面脱落，而且可能产生较强的吸附作用，而这 一作用还随着工作温度、湿度等的变化而变 化，从而使谐振器的频率随时间无规则地变化。 为此，必须对研磨后的石英晶片表面进行抛光 或适当的化学腐蚀。 � 对老化来说，选择适当的激励电平是十分重要 的。使老化率接近为零的激励电平为零老化激 励电平。对于天然石英晶体，AT切零老化激励 电平为80µW，而SC切的为160µW。到目前为 止，6个月内获得的最佳老化率所对应的相对频 率变化为10×10-10。
§4.1 压电谐振器的等效电路
� Cp1和Cp2分别代表 两根引线与环形接 R 地片（若为金属外 C L L 壳，则为外壳本身） 1 R R 2 之间的电容，Cpp代 R C L 表引线之间的直接 R C L 电容，Rp1和Rp2代 表支撑压电片的安 R C L C C C C 装结构的电阻，Lp1 3 和Lp2代表这些结构 3 的等效电感，Ce代 压电谐振器的等效电路 表压电片两电极间 的电容，Ce1和Ce2分别代表两个电极与环形接地片（或金 属外壳）之间的电容，Rs代表压电片两电极之间的漏电阻。 在中频时通常可以忽略Rs，但对于高频和高次泛音压电谐 振器不可忽略Rs。
§4.3 压电谐振器的假响应
� 夹持状态 压电振子处于自由振动时，振子上的某些点，其位 移总是等于零，这些点称为节点。在支撑振子时，应该 夹持在节点上，因为夹持在节点上才不影响振子的振动 状态。 如果夹持偏离了节点，则相当于给振子施加一个外 力，阻碍振子的自由振动，增大了损耗并且迫使振子的 谐振频率改变，夹持的位置不同，振子的谐振频率就不 同。当支架和振子电极面的两个接触点对不齐时，每个 接触点的影响不同，其谐振频率就会有差异，从而产生 假响应的杂波。若采用焊接办法支撑振子，如果焊点偏 离节点且不对称，也会产生杂波。
压电器件设计制作
西安交通大学 电子信息与工程学院 电子科学与技术系
第4章 压电谐振器
§4.1 压电谐振器的等效电路 §4.2 压电谐振器的的稳定性 §4.3 压电谐振器的假响应 §4.4 压电晶体振荡器
第4章 压电谐振器
� 压电振子经过上架、封装成为压电谐振器。因为它们有 很高的Q值，有极好的频率稳定性，可为滤波器网络提 供很高的频率选择性，也可用于振荡器得稳频，因此获 得大量应用。 � 石英单晶谐振器的性能与晶片的切型、装架形式及制造 工艺有关，其中关键的问题是选择切型。
� 除了谐振器所用材料的固有性质以外，石英谐 振器的老化特性与制造工艺密切相关。
压电谐振器的老化
� 为了降低老化率，对石英谐振器密封是必要 的，而且冷焊和玻璃密封要比焊料密封更能保 持清洁，故其制成品的老化率更小。
� 焊锡石英谐振器第一年的老化小于10×10-6 � 电阻焊和冷焊的小于3×10-66~5×10-6， � 真空玻璃密封的小于1×10-6~3×10-6 � 以冷焊支架密封的普通石英谐振器，一年后每周的老 化可达到1×10-8~5×10-8。
� 不同振动模式温度稳定的比较 压电陶瓷振子的谐振频率与温度的关系比较 复杂，它与材料的成分、制造工艺及振动模式 有关。 大体来说，同一种陶瓷材料制作的振子，厚 度振动温度稳定性比较好，径向振动的温度稳 定性次之，长度振动稳定性较差，弯曲振动温 度稳定性更差一些。
压电陶瓷振子的温度稳定性
� 压电陶瓷振子谐振频率温度稳定性比晶体差， 但比LC谐振元件要好一些。