石英晶振內部結構有變化

ID:79827 · 發表于 2015-11-17 17:03

壓電石英晶體在經過幾十年的技術變遷，規格體積從大變小已經是一個不爭的事實了，體積從10.4X10mm，到今天的1.2X2mm，不管是大還是小都有它的輝煌歷史。體積大小的晶振其內部的結構原理還是沒太大的改變大有大的優勢，小有小的好處。幸運的是，石英晶體振蕩器的小型化還帶來了額外的好處，那就是大大提高了它們沖擊與振動的耐受性。因為尺寸小，晶體諧振器質量較低，也因此對諧振器的力也較小。如果使用強安裝材料，諧振器就不會因為加速度太大掉下來，它會被牢牢固定在本來的位置上。進一步而言，由于它的小尺寸（短空白大小或短音叉齒）諧振器內的剪力很小，能抵抗高振動而不被破壞。
小尺寸的另一個附加的好處是，諧振器的最低彎曲型頻率狀態可達幾千赫茲或更高。這種情形至少會帶來兩個好處。第一個，由于振動到來之前大約1mm或更長時間會出現振動，可作為類似靜電噪聲的脈沖處理。在任何指定時段內的振動可大致看做一個固定的加速度，而這個加速度太小，所以不能激活晶體的彎曲模式。第二，這種彎曲型對頻率要求非常高，振動產生的頻率通常低于2kHz，所以不會被其所激活。
我們通常認為在電子系統中，石英晶體振蕩器是最易碎的元件之一。這并不奇怪，因為石英振蕩器里的石英晶體諧振器是由一個很大的水晶結晶體組切片而成的，就像一個大的圓空AT-cut晶體被金屬夾固定在一個金屬殼里。這種結構不能耐受高出50～100 g太多的振動強度。這類晶體振蕩器非常適合大型臺式儀器和類似的設備，但不太適用于對高振動性要求很高的應用領域，如掌上電腦和軍需設備。在這些設備中，加速度達到千個甚至萬個g。很明顯，一般的晶體結構在此類應用中是不合適的。
　　推動石英晶體和振蕩器結構變化的動力來自對電子器件小型化的不斷追求。伴隨著照相機平版電腦的發展和加工石英晶振的化學工藝的進步，小型化在80年代邁出了關鍵的一步。這種新的處理工藝來自曾用于硅工業的一些技術，能夠精確地磨制出小于1mm尺寸的石英/晶體，并能精確到幾微米。
在小型化進程中很重要的另一步是將晶體牢牢固定于一個粗糙機架的陶瓷封裝技術得到發展。由此，這種制造與構造工藝成為了石英晶體小型化不成文的標準。
　　這在劇烈振動應用環境和工業制造板取代刳刨工具時期非常重要。利用這種現代的制造與構造，石英晶體諧振器不再是嬌嫩易碎的東西。如今很多的制造商都能提供耐千g機械振動力的晶體和振蕩器。即便如此，在大多數要求非常嚴格的應用場合，普通的晶體和振蕩器并不合適，如軍用和導彈電子。因為這其中的振動能達到幾萬g。
　　要滿足這些方面的要求，光是諧振器的尺寸縮小并不夠，還必須將其按照受剪力最小原則安放。舉個例子，對高振動AT-cut晶體而言，第三點裝配法可用于將晶體空白的無電端設置為晶體包。用這種方法，晶體抗振動水平能上升至100 000g。同樣地，用這種晶體結合更先進的結構工藝制造的振蕩器也能達到100 000g的抗振動性。
　　設計耐強振動系統時，記住以下幾條箴言是非常有用的
　　● 晶體/振蕩器（較小包內發現的）中，小尺寸的比大尺寸的更穩固。
　　● 音叉晶體（通常為10～600kHz）比擴展型晶體（520kHz～2.5MHz）穩固性更好。而AT-cut晶體（8MHz以上）是最穩固的。
　　● 對音叉和擴展型晶體而言，晶體尺寸隨頻率減小而減小，穩固性隨頻率增大而增強（對某一指定型晶體）。
　　● 對AT晶體而言，晶體在13～50MHz內是最穩固的，當處在16～32MHz時最佳。
　　● 注意對超過千g級的振動，普通的晶體和振蕩器是不合適的，需要采用專為高振動應用環境設計的類型。
　　● 如果已知振動是沿單一方向被采用，合理選擇晶體/振蕩器的方位能大大提高系統穩固性。
● 除了檢驗數據表上必要的說明，別忘了問清制造商供應高振動設備的歷史。
電子數碼產品高速的發展，告訴我們一個事實，大體積晶振的時代即將遠去，現在晶振生產商大部分都已經轉向小型化生產。

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