[科普中國(guó)]-石英諧振器

石英諧振器指的是利用電信號(hào)頻率等于石英晶片固有頻率時(shí)晶片因壓電效應(yīng)而產(chǎn)生諧振現(xiàn)象的原理制成的器件，是晶體振蕩器和窄帶濾波器等的關(guān)鍵元件。

石英諧振器雖然外形各異、尺寸和頻率不盡相同，但結(jié)構(gòu)原理是基本相同的，為了提高石英晶體工作的穩(wěn)定可靠性，石英諧振器外殼構(gòu)件經(jīng)過密封處理，并抽成真空或充入氮?dú)狻?/p>

基本介紹利用電信號(hào)頻率等于石英晶片（或棒）固有頻率時(shí)晶片因壓電效應(yīng)而產(chǎn)生諧振現(xiàn)象的原理制成的器件。它由石英晶片（或棒）、電極、支架和外殼等構(gòu)成，在穩(wěn)頻、選頻和精密計(jì)時(shí)等方面有突出的優(yōu)點(diǎn)，是晶體振蕩器和窄帶濾波器等的關(guān)鍵元件。

石英晶體的壓電效應(yīng)于19世紀(jì)80年代首先被法國(guó)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)。20世紀(jì)30年代初， 石英技術(shù)開始應(yīng)用到鐘表計(jì)時(shí)上，但石英在鐘表中廣泛應(yīng)用卻是在20世紀(jì)60年代石英振子被小型化以后。

隨著石英電子鐘表不斷向薄型、小型化和中高檔產(chǎn)品發(fā)展，對(duì)石英晶體 和石英諧振器的小型化還在不斷地開拓、創(chuàng)新。1

結(jié)構(gòu)介紹石英諧振器常用的有圓片型、棒型、音叉型。

音叉型石英諧振器體積小，抗沖擊性能好、頻率低，其諧振頻率為32.768kHz，適于用在石英手表中。近來(lái)，不少石英鐘也采用了這種低頻石英諧振器。

圓片型為高頻石英諧振器，其諧振頻率為4.194304MHz，它大多為石英鐘采用。

棒狀石英諧振器由于其抗沖擊性能較差、體積也較大，因而不能適應(yīng)小型化的石英手 表需要。

目前，大量生產(chǎn)的是音叉型石英諧振器，石英音叉的振動(dòng)屬于彎曲振動(dòng)模式。叉臂一 端固定，一端自由地彎曲振動(dòng)，其頻率是兩端自由彎曲振動(dòng)的0.16倍。

石英諧振器的特性

|| || 幾種石英諧振器的特性

發(fā)展歷史1921年，人們發(fā)現(xiàn)石英晶片諧振特性具有穩(wěn)頻作用，開創(chuàng)了石英諧振器在通信技術(shù)中的應(yīng)用。第二次世界大戰(zhàn)期間,由于軍事通信的需要，壓電石英技術(shù)有很大發(fā)展2。

1940年前石英諧振器的頻率穩(wěn)定度為 10，50年代達(dá)到10，70年代2.5兆赫和5兆赫的高精密石英諧振器經(jīng)長(zhǎng)期工作后的最佳水平可分別達(dá)到10 和10 。

現(xiàn)代石英諧振器已能解決短期穩(wěn)定度問題，秒級(jí)穩(wěn)定度最佳水平已達(dá)10 ，毫秒級(jí)穩(wěn)定度最佳水平已達(dá)10 。石英諧振器的頻率范圍1945年前為100千赫～10兆赫,1960年擴(kuò)展為500赫～200兆赫,1977年高頻擴(kuò)展到350兆赫。1980年后用離子束刻蝕出超薄晶片，使石英諧振器的基頻達(dá)1000兆赫。

石英晶體切型在晶體坐標(biāo)系中，晶片沿某種方位的切割稱為切型。只有一定的切型才具有壓電效應(yīng)、單一振動(dòng)模式和零溫度系數(shù)，所以在設(shè)計(jì)諧振器時(shí)首先要選擇合適的切型。

石英晶體的切型符號(hào)有兩種表示方法：一種是國(guó)際電工委員會(huì)規(guī)定的符號(hào)表示法，另一種是習(xí)慣符號(hào)表示法。

前一種符號(hào)用一組字母xyzlwt和角度來(lái)表示；x、y、z中兩個(gè)字母的先后排列表示晶片的厚度和長(zhǎng)度的原始方位，l（長(zhǎng)度）、w（寬度）、t（厚度）表示旋轉(zhuǎn)軸；角度的正、負(fù)號(hào)表示逆、順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。例如,xytl5°/-50°切型，表示晶片原始方位的厚度位于x軸方向，長(zhǎng)度位于y軸方向；晶片先繞厚度t沿逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)5°，再繞長(zhǎng)度l沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)50°。

后一種習(xí)慣符號(hào)多數(shù)用兩個(gè)大寫拉丁字母表示，例如，AT、BT、NT、MT等；其中AT、BT為單轉(zhuǎn)角切型，NT、MT為雙轉(zhuǎn)角切型。

頻率穩(wěn)定度提高石英諧振器的頻率穩(wěn)定度的重要途徑是減小環(huán)境溫度對(duì)頻率的影響。通常有兩種方法。

①恒溫槽法：將諧振器放入恒溫槽中，只要恒溫槽的溫度與零溫度系數(shù)點(diǎn)的溫度（T0）一致，頻率隨溫度的變化將接近于零。

②溫度補(bǔ)償法：將環(huán)境溫度所引起的頻率變化，通過熱敏網(wǎng)絡(luò)加以補(bǔ)嘗。后一方法的優(yōu)點(diǎn)是體積小、消耗功率小，且開機(jī)即能工作。缺點(diǎn)是頻率穩(wěn)定性低于前一方法。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)