【技术】厚度切变石英晶体元件基本特性解析

时间： 2021-08-17 来源：晶光华

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本文中，国内知名晶振企业晶光华将分享厚度切变石英晶体元件基本知识。

1. 石英晶体振动模式和常用切型

不同的石英切割角度及不同电极型状的电场效应, 石英晶体表现出各种不同的振动模式，主要的振动模式有弯曲模式(flexture mode)、伸缩模式(extension mode)、面切变模式(face shear mode) 和厚度切变模式 (thickness shear mode)，下表是对这几种振动模式的简单描述。在实际状况中, 石英晶体并不是一定只有单一种振动模式, 而可能有多种模式同时存在在一个石英晶片的振荡中, 经由适当的设计, 可以压制其它不希望产生的振动模式(unwanted mode)，来达到主要振动模式的最佳化。

2. 石英晶体的切型

依据不同的应用领域及工作温度需求，对应了许多不同的石英晶棒切割角度种类，例如 AT-, BT-, CT-, DT-, NT, GT…..等不同的切割，不同的切割方向的晶片具有不同的弹性常数张量(elastic constant tensor)、不同的压电常数张量(piezoelectric constant tensor)及不同的介电常数张量(dielectric constant tensor)，这些张量在石英晶体的设计及应用上表现出不同的振荡及温度特性，(下图为不同切型的石英晶片方位图)表现了在 Z-plat 石英结构上，几种不同方向的石英晶片切割方式。

3. 石英晶体的频率温度特性

3.1 AT 切石英晶片的频率温度特性：

3.1.1 AT 切割角度变动在厚度振动模态的频率对温度特性的展开图. 图中以常用的室温摄式 25℃作为相对零点(参考温度 T0)。

3.1.2 AT 切割的最大优点是频率对温度变化为一元三次方曲线. 这个特性从下图中可以看到, 在相当宽广的温度范围下, AT 切割的温度曲线的第一阶常数(a0)及第二阶常数(b0)为零, 第三阶的常数 (c0)便决定了频率对温度的变化值

T_F=a₀+2b₀(T-T₀)+3c₀(T-T₀)²

3.1.3 AT角度切割的石英芯片适用在数 MHz 到数百 MHz 的频率范围,是石英芯片应用范围最广泛及使用数量最多的一种切割应用方式。

3.2 音叉（TUNING FORK）石英晶体的频率温度特性

3.2.1 Tuning fork(音叉式)晶体单元主要频率是 32.768KHz，用于手表和时钟等应用，覆盖频率范围从 20KHz 到 300KHz;

3.2.2 音叉晶振的温度特性曲线，是负二次方程曲线f=f0[1-0.04ppm/℃²·(T-T0)²]。呈现出以理想室温+25℃为中心的向下抛物线，温度频差变化为阶段性的变化，这意味着音叉晶体振荡器在室温下共振接近其目标频率,但当温度走低或走高都会使频率稳定度变差。所以需要考虑使用环境温度和精度。

音叉圆柱晶体的频率温度特性近似为：-0.035ppmx(T-25)²

音叉贴片晶体的频率温度特性近似为：-0.04ppmx(T-25)²

3.2.3 在实际应用中，这意味着使用常规 32.768 KHZ音叉晶体构建的时钟在室温下保持良好的时间精度，但在高于或低于室温 10℃时每年会减少 2 分钟，在20℃时每年会减少8分钟。

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产品型号	品类	频率（MHZ）	电压（V）	温度稳定度（PPM）
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