石英晶体谐振器参数

石英晶体谐振器的振动实质上是一种机械振动。实际上，石英晶体谐振器可以被一个具有电子转换性能的两端网络测出。这个回路包括L1、C1，同时C0作为一个石英晶体的绝缘体的电容被并入回路，与弹性振动有关的阻抗R1是在谐振频率时石英晶体谐振器的谐振阻抗。(见图1)

石英晶体作为谐振器在使用时，要求其谐振频率在温度发生变化时保持稳定。温频特性与切割角有关，每个石英晶体具有结晶轴，晶体切割是按其振动模式沿垂直于结晶轴的角度切割的。典型的晶体切割和温频特性。(见图2)

AT型石英晶体谐振器的温度特性目前大多用三次曲线表示(见图3)。一个石英晶片在所需要的频率范围已满足的情况下在某一角度被切割，以达到要求的工作温度范围。当然，实际上，即使在成功的操作中，也会有一些由于切割和磨光精确性不够而造成的角度散布，由此，操作的精确度需要提高。在图4中可以看到频率公差和生产难度等级的关系。

所有石英谐振器均有寄生（在主频率之外的不期望出现的）振荡响应。他们在等效电路图中表现为附加的以R1、L1、C1形成的响应回路。

寄生响应的阻抗R NW与主谐振波的阻抗Rr的比例通常以衰减常数dB来表示,并被定义为寄

生衰减a NW=-20 · lg

对于振荡用晶体,3至6dB是完全足够的.对于滤波用晶体,通常的要求是超过40dB. 这一规格要求只有通过特殊设计工艺并使用数值非常小的动态电容方能达到.

可达到的衰减随着频率的上升和泛音次数的增加而减小. 通常的平面石英晶片谐振器比平凸或双面凸晶片谐振器的寄生衰减要良好. 在确定寄生响应参数时,应同时确定一个可接受的寄生衰减水平以及寄生频率与主振频率的相对关系.

在AT切型中,对于平面晶片,"不和谐的响应"只存在于主响应的+40至+150KHZ之间,对于平凸或双面凸的晶片,寄生则在+200至+400KHZ之间.

在以上的测量方法中,寄生响应衰减至20至30dB时是可以测量的,对于再高一些的衰减.C0的补偿是必需的.

石英振荡器的机械振动的振幅会随着电流的振幅成正比例地上升. 功率与响应阻抗的关系为Pc=12q R1, 高激励功率会导致共振的破坏或蒸镀电极的蒸发,最高允许的功率不应超过10mV.

由于L1和C1电抗性的功率振荡,存在Q c=Q x P c. 若P c=1mV, Q=100.000, Q c则相当于100W. 由于低的Pc功率会导致振荡幅度的超过,最终导致晶体的频率上移.

随着晶体泛音次数的增加, 对于激励功率的依赖性更加显著.上图显示了典型的结果, 但是精确的预期结果还是要受到包括晶体设计和加工,机械性晶片参数,电极大小,点胶情况等的影响.

可以看出, 激励功率必须被谨慎地确定,以使晶体在生产中和使用中保持良好的关系.

当今,一个半导体振荡回路的激励功率一般为0.1mV,故在生产晶体时也一般按0.1mV进行.

一个品质良好的晶体可以容易地起振,其频率在自1nW逐步增加时均能保持稳定.现在, 晶体两端的功率很低的半导体回路也可以在很低的功率的情况下工作良好.

上图显示了一个对激励功率有或无依赖性的晶体的工作曲线的比较.

晶体存在蒸镀电极不良,晶片表面洁净度不足, 都会存在如图所示的在低功率时出现高阻抗的情况, 这一影响称为激励功率依赖性(DLD). 通常生产中测试DLD是用1~10mV测试后再用1mV 测试, 发生的阻抗变化可作为测试的标准. 很显然, 在增加测试内容会相当大的提高晶体生产的成本.

利用适当的测试仪器可以很快地进行DLD极限值的测定,但是只能进行合格/不合格的测试.IEC草案248覆盖了根

4结构特性

解剖日本生产的这种石英谐振器可见，外壳为干净、无凹隐、无污渍的HC－49/U型锌铂铜外壳，印字清晰完整。基座为间距8.3mm、两脚齐平、浸锡光亮、长6mm的HC－49/U型弹片支架，底部压痕不明显。支架与外壳焊接熔合，无溶料突出，这种基座与外壳的封装形式结构合理，成本低，密封性、可靠性、稳定性好。正中透亮、边缘有明显倒边台阶、镀有正反吻合银电极的圆凸形石英晶片正滑入支架弹片槽，引出端与支架接触处点的银电胶适量、导电性能良好。晶片直径为8.9mm，电极直径为6.7mm,其结构如图1所示。

5设计

5.1切角的选择

AT切的频率温度曲线是三次抛物线的关系，由贝赫曼给出的温度特性方程为：

(f－f0)/f0=a0(T－T0)＋b0(T－T0)2＋c0(T－T0)3

式中，T为任意温度，T0参照温度，f0为参照温度时的频率，a0、b0、c0为参照温度时的频率温度系数。

DPTV石英谐振器要求在－20℃～70℃范围内达到±2×10－5，通过调整角度范围，最后确定由35°10′±3′修正为35°08′±2′最为合适，如图2所示。另外，由于晶片研磨过程中会使角度有所偏差，采用长方片粗磨后再测角度的加工新方法，确保了温度频差的要求。

5.2晶片的设计

当 （晶片直径）/t（晶片厚度）<20时，石英晶片的边缘效应较强，表现为电阻大，起振性能差。所以必须将晶片设计成双凸形，如图3所示，相当于增大它的有效直径。

双凸晶片厚度和曲率半径的计算机公式为

式中，f为石英晶片谐振频率（kHz），R为石英晶片双凸曲面半径(mm)，为石英晶片直径(mm)，t为石英晶片的厚度(mm)，to为石英晶片边缘厚度（一般取0.2mm）。

最后采用的可兼顾有限外壳尺寸（该外壳的内部尺寸为10mm×3.5mm×13.2mm，还要除去支架及内衬的位置）限制的，用滚筒倒边技术消除边缘效应的 8.7mm片径的好处很多：（1）原材料——人造水晶节省4.52％；（2）研磨碎片率下降2.24％；（3）拍闪表明抗振动性提高，合格率提高0.98％。

5.3电极直径和静电容的确定

电极直径的选取必须考虑到电阻、静电容及片厚等。晶片电极和电极返回频率满足能陷公式时，可得到最小的寄生响应，等效电阻最小。能陷公式为

Δf=(Nt/An)2f

式中，N为常数（2～2.4），Δf为返回频率，n为泛音次数，A为电极面积，t为片厚。静电容的经验公式为

C0=k0(A2/t)

式中，k0为常数。考虑到通用性原则，确定的电极直径为6.5mm可达到要求。

6关键工艺

主要工艺流程为：切割—粗磨—测角—改圆—研磨—腐蚀清洗—镀膜—装架点胶—微调—封焊—印字—老化—成检—浸锡—抽检—切校脚—包装入库。

6.1腐蚀清洗

据多年的生产实践和理论证明，片愈厚、频率愈低，对晶体的起振性能、电阻的影响愈大，这是低频DPTV石英谐振器所不希望和较难解决的问题。调查发现，作为清除晶片因研磨造成的表面松散层的深腐蚀方法较有效。但采用原先的腐蚀液（氢氟酸）的速度慢、效率低，研制人员为此重新配备了蚀液，70℃饱和氟化氢铵溶液为最佳配方，蚀出的晶片透亮，电阻小。

但由于手工控制的摇动不够均匀，批量生产时出现了腐蚀后晶片均匀度差，清洁度不够及蚀速快、较难把握等问题。为此，我们引进了香港制造的由IEC－1型电脑控制的腐蚀控制的腐蚀清洗系统，操作者只需将清洗腐蚀时间（以秒为单位）输入计算机、装白片架和看护各个浴器，便可实现晶片的腐蚀、清洗、烘干及末端从传送链上卸下来的整个过程流水式自动化操作，气泡发生器使腐蚀更加均匀，加温超洗干净。晶片的光洁度、清洁度大幅度提高，成品电阻平均下降3.38％、成品合格率至少提高2.13％，起振性能提高，工效提高50％。

6.2镀膜

晶片光洁度的提高对镀膜的附着率造成影响，如果附着率无保证，会造成频率的不稳定。为了保证晶片的附着率，采用先镀一层附着率好的铬，然后再镀银的方法，这种方法的难点就是银 铬在晶片两面平均分配的问题，如果分配不均，同样会造成频率的不稳定。我们采用进口的电