[科普中國]-石英諧振器

石英諧振器指的是利用電信號頻率等于石英晶片固有頻率時晶片因壓電效應(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氣。

基本介紹利用電信號頻率等于石英晶片（或棒）固有頻率時晶片因壓電效應(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、選頻和精密計時等方面有突出的優(yōu)點，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80年代首先被法國科學家發(fā)現(xiàn)。20世紀30年代初， 石英技術(shù)開始應(yīng)用到鐘表計時上，但石英在鐘表中廣泛應(yīng)用卻是在20世紀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，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，石英音叉的振動屬于彎曲振動模式。叉臂一 端固定，一端自由地彎曲振動，其頻率是兩端自由彎曲振動的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)長期工作后的最佳水平可分別達到10 和10 。

現(xiàn)代石英諧振器已能解決短期穩(wěn)定度問題，秒級穩(wěn)定度最佳水平已達10 ，毫秒級穩(wěn)定度最佳水平已達10 。石英諧振器的頻率范圍1945年前為100千赫～10兆赫,1960年擴展為500赫～200兆赫,1977年高頻擴展到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1000兆赫。

石英晶體切型在晶體坐標系中，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)、單一振動模式和零溫度系數(shù)，所以在設(shè)計諧振器時首先要選擇合適的切型。

石英晶體的切型符號有兩種表示方法：一種是國際電工委員會規(guī)定的符號表示法，另一種是習慣符號表示法。

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

后一種習慣符號多數(shù)用兩個大寫拉丁字母表示，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)點的溫度（T0）一致，頻率隨溫度的變化將接近于零。

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

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學