KVG石英晶体的结晶形成XMP-7135-5E-18pF-20MHz

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石英作为矿物是所有类型石英谐振器,石英滤波器和石英振荡器的原料。大部分地壳由天然石英构成,其纯粹形式也称为深石英或α石英。石英是由硅和氧原子构成的完美对称的理想晶格。这种晶格使石英具有重要的特性,即当对晶体施加机械压力时,可以在石英晶振晶体的两端测量电压。同样,当从外部施加电压时,晶体会变形。这种行为使其成为在电路中以振动夸克的形式使用的理想原材料。以前在石英的生产中使用矿物开采石英,山水晶,现在几乎完全使用人工制造的石英,其纯度极高。例如,在每只腕表(石英表)中,一小块石英材料确保秒针每秒可靠且始终向前滑动一次。

石英晶体是具有极轴但没有对称中心的晶体。其中包括Z。B.α-石英或硫化锌。

通过外部施加的电场,可以实现整个压电晶体的变形,这有时被称为反向压电效应。

压电效应可以通过施加压力时硅和氧离子的正电荷和负电荷的转移来解释,从而产生电偶极矩:

当带有极轴(即宏观偶极矩)的绝缘体被带入电场时,电荷在其内移动并发生机械变形。相反,机械变形可以移动或对齐电荷,从而产生电极化,即电场。压电场E以及端面之间产生的应力U与相对变形ε=Δx / x成正比:

或 在这里,δ被称为压电系数,它与材料有关。变形是由于在场方向上彼此相邻的偶极子相互吸引。这些力使相邻层彼此接近,直到弹性反力补偿电力。

电荷发生在极轴的末端,并通过它们的平面上的变形相互转移,导致总中性晶体的边界表面产生表面电荷。 因此,晶体通过变形经历电极化,这与电场中电介质的极化相对应。

压电效应的性质在很大程度上取决于力或电压作用于石英晶体的方向。此外,环境温度根据方向有不同的强烈影响。可以制造不同的石英晶体,具有不同的特性。

定义晶体轴

最常见的切割是单旋转AT切割(theta=0°)和双旋转SC切割(theta=22°)。在这两种情况下,θ角大约是34°。

还有其他双旋转切割,如MSC,IT,FC,LD-用于特殊应用。

晶体谐振器的活性组件是一个机械振动盘(“晶体元件”),由单晶石英切割而成,与晶体学轴精确对齐。谐振器在高真空中涂覆铝,银或金电极,并通过热焊或电阻焊将其焊接到合适的外壳中。

元件的物理尺寸及其与轴的对齐方式决定了共振频率、初始精度、电气特性和温度系数。

晶体的频率与元素的厚度成反比。对于机械加工,其结果是晶体在基本振动中振荡的频率上限约为50 MHz。

为了在基本振动中实现更高的频率,也存在化学估计值。倒置的Mesa晶体,其中谐振器的中心部分被估计为只有几微米厚。

许多不同的参数会影响最终的谐振器特性。元件的厚度和直径,电极直径,电极材料,还有支架,密封方法等。

晶体元素可以平行或轮廓(与相位,平面凸或双凸)制成。

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轮廓是必要的,以避免康德效应。可以在晶体元件的一侧或两侧形成弯曲半径,以便将能量集中在谐振器的中心。

高频晶体振荡在厚切尔振动中,可以在基底或奇数上丘脑模式中激发。

顺子晶体的动态容量C1n随着顺子n的顺序下降,大约由 因此,高原晶体中的CO/C1比率远大于在基色中振荡的晶体,并且拉伸范围减少了约n3的因子。因此，VCXO振荡器中使用的石英,需要大范围的拉伸,在基本色调模式下工作。

所有晶体谐振器都会产生一种主要模式,即二次振动,以及不需要的振动模式,即高于谐振频率的二次谐波模式。

除了常用的C模式外,还有另一种狄更斯模式,即B模式。它的频率比C模式高约10%,动态阻力通常比C模式低,但温度系数较大。有时需要过滤此模式,以便振荡器可以使用C模式。

其他不需要的模式包括剪切,弯曲,厚度和扭转振动,它们可能发生在所需的共振频率之上和之下。通过正确的示波器设计,不需要的模式很少会造成问题。接近谐振频率的不需要的模式会影响石英晶体振荡器的启动行为,或在运行期间导致频率偏移到错误的频率。

其他不良影响是由不需要的模式引起的温度上的频率和电阻的崩溃。 次要模式通常表示为不和谐模式的共振阻抗与主要模式阻抗的比率。

在谐振频率附近,石英单位由电动双极表示。来自更换图像的电路模拟了振动夸克的电行为。

CO分流容量:电极,石英支架,电线和外壳之间的容量。典型 1-50 pF 动态容量C1:代表机械弹性。典型 10-12 – 10-18 F 动态电感L1:表示机械惯性。典型 10-3 – 10-5 H 动态阻抗R1:机械损耗。典型值 1 - 105 Ω

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振动夸克的拉伸能力是将晶体单元的频率从自共振频率(fs)改变为激光共振频率(fL)的能力。除了替换电路的组件外,电子电路中还必须提供一个外部容量,称为负载容量CL,以便晶体可以改变其谐振频率。 负载能力的降低导致频率的增加,而负载能力的增加导致频率的降低。 当负载能力成列或与晶体平行时,谐振频率相应地移动:

和谐振时的阻力变为:

振动石英的共振频率通常取决于石英的温度。AT和SC石英的温度特性由三阶抛物线描述。 然后可以描述频率的相对变化:

与MIT Ti是转折点的温度。

频率-温度特征线主要由石英的切割角决定。对于给定的截面,Ai 是随着 Theta 角度变化最大的参数。Ci几乎是恒定的,而Ti在AT截面为+25°C至+35°C,SC截面为+85°C至+95°C,具体取决于晶体元件的尺寸。

由于SC截面的临界点接近90°C,因此非常适合用于炉振荡器,因为80°C的顶部反转点导致频率对温度的依赖性非常低。此外,SC切割晶体对机械和热应力不太敏感,与AT切割相比,老化程度更低,性质更高。

老化是振动夸克的固有频率随时间的变化。它通常可以表示为逆对数函数。老化受制造工艺(特别是紧固技术)、老化、振荡器设计和环境条件的影响。

通过将金属电极施加到石英材料上,振动夸克的总质量也随之改变其自身频率。由于氧化效应或外来物质附着在电极材料上,电极质量可能会随着时间的推移而进一步变化。石英材料和膨胀金属层的表面形成多孔表面,很容易将异物附着在上面。这种效应可以通过在石英外壳中填充氮气和氢气的惰性气体混合物来减轻。然而,例如,石英轴承上的石英粘合剂的排气可能会导致时间相关的老化效应。

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作用于石英的机械力(机械应力)也会导致衰老效应。石英晶振晶体本身由高度有序的晶格组成。制造过程中的加工过程,如锯,研磨或抛光,会部分扰乱这些晶格,从而改变石英材料的物理特性。随着时间的推移,晶格中的松弛效应会消除这些缺陷或晶格错误,从而导致频率变化(老化)。此外,将石英悬挂在外壳中会产生机械应力,石英材料必须适应。石英轴承,导电胶和石英的连接在操作过程中越来越匹配,在一定的输入时间后,只检测到谐振频率的微小变化,并保持接近稳定的状态。

振动夸克在第一年的典型老化值是: 已 电阻焊接外壳:1-5 ppm/a 冷焊外壳:0.05 – 1 ppm/a

电平依赖性是共振频率对通过振动夸克传导功率的依赖性,通过改变电平,共振和相位曲线会发生变化。通常,谐振频率与功率之间存在线性依赖关系,其影响大约为 10-9/μW,对于 SC 截面中的石英,其影响通常小于 AT 截面。特别是当水平随着时间的推移而波动或偏离时,会出现问题。

一般来说,应始终在其设计和制造的水平下运行。较高的控制电平产生不需要的振动模式,导致频率温度特征线的严重恶化,加速老化,并可能由于谐振器过热而改变频率。通过过载完全破坏石英也是可能的。

活动点差的特点是偏离三阶频率-温度曲线。特别是对于TCXO晶振的晶体,崩溃会导致问题,因为它们在很宽的温度范围内运行。 活动点滴是由机械连接引起的不良模式引起的。在这里,两种不同的模式具有不同的温度行为,在给定的温度下交叉。在这一点上,振动能量部分地从所需的模式转移到不需要的模式。 入射受谐振器设计、控制电平和振荡器电路条件的影响。