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KVG石英晶體的結(jié)晶形成XMP-7135-5E-18pF-20MHz
石英作為礦物是所有類型石英諧振器,石英濾波器和石英振蕩器的原料。大部分地殼由天然石英構(gòu)成,其純粹形式也稱為深石英或α石英。石英是由硅和氧原子構(gòu)成的完美對(duì)稱的理想晶格。這種晶格使石英具有重要的特性,即當(dāng)對(duì)晶體施加機(jī)械壓力時(shí),可以在石英晶振晶體的兩端測(cè)量電壓。同樣,當(dāng)從外部施加電壓時(shí),晶體會(huì)變形。這種行為使其成為在電路中以振動(dòng)夸克的形式使用的理想原材料。以前在石英的生產(chǎn)中使用礦物開采石英,山水晶,現(xiàn)在幾乎完全使用人工制造的石英,其純度極高。例如,在每只腕表(石英表)中,一小塊石英材料確保秒針每秒可靠且始終向前滑動(dòng)一次。
石英是一種由硅和氧組成的礦物,化學(xué)式為SiO2。石英的結(jié)晶形式在自然界中比較常見,但在制造石英晶體所需的高純度形式中,供應(yīng)量相對(duì)較少,天然石英的供應(yīng)有限,成本高,導(dǎo)致自20世紀(jì)60年代以來,合成石英的制造業(yè)得到了發(fā)展。合成石英晶振晶體是在垂直汽車熔巖中制造的。Autoklav根據(jù)水熱梯度原理工作,溫度超過400°C,壓力超過1000巴。所謂晶體(Crystal)。種子)被放置在車床的上腔室,而天然石英(laskas)被放置在下腔室。然后填充堿性溶液,通過加熱增加腔室內(nèi)的壓力。與下腔相比,汽車艙的加熱產(chǎn)生較低的上腔溫度。這種溫度梯度產(chǎn)生堿性溶液的對(duì)流,溶解在腔室底部的天然石英并沉積在上部區(qū)域的晶體上。用這種方法產(chǎn)生的α晶體的質(zhì)量可以達(dá)到數(shù)百克,并且可以在幾周內(nèi)生長。晶體生長越慢,其純度和質(zhì)量就越高。
石英晶體是具有極軸但沒有對(duì)稱中心的晶體。其中包括Z。B.α-石英或硫化鋅。
通過外部施加的電場,可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)壓電晶體的變形,這有時(shí)被稱為反向壓電效應(yīng)。
壓電效應(yīng)可以通過施加壓力時(shí)硅和氧離子的正電荷和負(fù)電荷的轉(zhuǎn)移來解釋,從而產(chǎn)生電偶極矩:
當(dāng)帶有極軸(即宏觀偶極矩)的絕緣體被帶入電場時(shí),電荷在其內(nèi)移動(dòng)并發(fā)生機(jī)械變形。相反,機(jī)械變形可以移動(dòng)或?qū)R電荷,從而產(chǎn)生電極化,即電場。壓電場E以及端面之間產(chǎn)生的應(yīng)力U與相對(duì)變形ε=Δx / x成正比:
或 在這里,δ被稱為壓電系數(shù),它與材料有關(guān)。變形是由于在場方向上彼此相鄰的偶極子相互吸引。這些力使相鄰層彼此接近,直到彈性反力補(bǔ)償電力。
電荷發(fā)生在極軸的末端,并通過它們的平面上的變形相互轉(zhuǎn)移,導(dǎo)致總中性晶體的邊界表面產(chǎn)生表面電荷。 因此,晶體通過變形經(jīng)歷電極化,這與電場中電介質(zhì)的極化相對(duì)應(yīng)。
壓電效應(yīng)的性質(zhì)在很大程度上取決于力或電壓作用于石英晶體的方向。此外,環(huán)境溫度根據(jù)方向有不同的強(qiáng)烈影響?？梢灾圃觳煌氖⒕w,具有不同的特性。
定義晶體軸
最常見的切割是單旋轉(zhuǎn)AT切割(theta=0°)和雙旋轉(zhuǎn)SC切割(theta=22°)。在這兩種情況下,θ角大約是34°。
還有其他雙旋轉(zhuǎn)切割,如MSC,IT,FC,LD-用于特殊應(yīng)用。
晶體諧振器的活性組件是一個(gè)機(jī)械振動(dòng)盤(“晶體元件”),由單晶石英切割而成,與晶體學(xué)軸精確對(duì)齊。諧振器在高真空中涂覆鋁,銀或金電極,并通過熱焊或電阻焊將其焊接到合適的外殼中。
元件的物理尺寸及其與軸的對(duì)齊方式?jīng)Q定了共振頻率、初始精度、電氣特性和溫度系數(shù)。
晶體的頻率與元素的厚度成反比。對(duì)于機(jī)械加工,其結(jié)果是晶體在基本振動(dòng)中振蕩的頻率上限約為50 MHz。
為了在基本振動(dòng)中實(shí)現(xiàn)更高的頻率,也存在化學(xué)估計(jì)值。倒置的Mesa晶體,其中諧振器的中心部分被估計(jì)為只有幾微米厚。
許多不同的參數(shù)會(huì)影響最終的諧振器特性。元件的厚度和直徑,電極直徑,電極材料,還有支架,密封方法等。
晶體元素可以平行或輪廓(與相位,平面凸或雙凸)制成。
KVG石英晶體的結(jié)晶形成XMP-7135-5E-18pF-20MHz
輪廓是必要的,以避免康德效應(yīng)?？梢栽诰w元件的一側(cè)或兩側(cè)形成彎曲半徑,以便將能量集中在諧振器的中心。
高頻晶體振蕩在厚切爾振動(dòng)中,可以在基底或奇數(shù)上丘腦模式中激發(fā)。
順子晶體的動(dòng)態(tài)容量C1n隨著順子n的順序下降,大約由 因此,高原晶體中的CO/C1比率遠(yuǎn)大于在基色中振蕩的晶體,并且拉伸范圍減少了約n3的因子。因此，VCXO振蕩器中使用的石英,需要大范圍的拉伸,在基本色調(diào)模式下工作。
所有晶體諧振器都會(huì)產(chǎn)生一種主要模式,即二次振動(dòng),以及不需要的振動(dòng)模式,即高于諧振頻率的二次諧波模式。
除了常用的C模式外,還有另一種狄更斯模式,即B模式。它的頻率比C模式高約10%,動(dòng)態(tài)阻力通常比C模式低,但溫度系數(shù)較大。有時(shí)需要過濾此模式,以便振蕩器可以使用C模式。
其他不需要的模式包括剪切,彎曲,厚度和扭轉(zhuǎn)振動(dòng),它們可能發(fā)生在所需的共振頻率之上和之下。通過正確的示波器設(shè)計(jì),不需要的模式很少會(huì)造成問題。接近諧振頻率的不需要的模式會(huì)影響石英晶體振蕩器的啟動(dòng)行為,或在運(yùn)行期間導(dǎo)致頻率偏移到錯(cuò)誤的頻率。
其他不良影響是由不需要的模式引起的溫度上的頻率和電阻的崩潰。 次要模式通常表示為不和諧模式的共振阻抗與主要模式阻抗的比率。
在諧振頻率附近,石英單位由電動(dòng)雙極表示。來自更換圖像的電路模擬了振動(dòng)夸克的電行為。
CO分流容量:電極,石英支架,電線和外殼之間的容量。典型 1-50 pF 動(dòng)態(tài)容量C1:代表機(jī)械彈性。典型 10-12 – 10-18 F 動(dòng)態(tài)電感L1:表示機(jī)械慣性。典型 10-3 – 10-5 H 動(dòng)態(tài)阻抗R1:機(jī)械損耗。典型值 1 - 105 Ω
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振動(dòng)夸克的拉伸能力是將晶體單元的頻率從自共振頻率(fs)改變?yōu)榧す夤舱耦l率(fL)的能力。除了替換電路的組件外,電子電路中還必須提供一個(gè)外部容量,稱為負(fù)載容量CL,以便晶體可以改變其諧振頻率。 負(fù)載能力的降低導(dǎo)致頻率的增加,而負(fù)載能力的增加導(dǎo)致頻率的降低。 當(dāng)負(fù)載能力成列或與晶體平行時(shí),諧振頻率相應(yīng)地移動(dòng):
和諧振時(shí)的阻力變?yōu)?
振動(dòng)石英的共振頻率通常取決于石英的溫度。AT和SC石英的溫度特性由三階拋物線描述。 然后可以描述頻率的相對(duì)變化:
與MIT Ti是轉(zhuǎn)折點(diǎn)的溫度。
頻率-溫度特征線主要由石英的切割角決定。對(duì)于給定的截面,Ai 是隨著 Theta 角度變化最大的參數(shù)。Ci幾乎是恒定的,而Ti在AT截面為+25°C至+35°C,SC截面為+85°C至+95°C,具體取決于晶體元件的尺寸。
由于SC截面的臨界點(diǎn)接近90°C,因此非常適合用于爐振蕩器,因?yàn)?0°C的頂部反轉(zhuǎn)點(diǎn)導(dǎo)致頻率對(duì)溫度的依賴性非常低。此外,SC切割晶體對(duì)機(jī)械和熱應(yīng)力不太敏感,與AT切割相比,老化程度更低,性質(zhì)更高。
老化是振動(dòng)夸克的固有頻率隨時(shí)間的變化。它通?？梢员硎緸槟鎸?duì)數(shù)函數(shù)。老化受制造工藝(特別是緊固技術(shù))、老化、振蕩器設(shè)計(jì)和環(huán)境條件的影響。
通過將金屬電極施加到石英材料上,振動(dòng)夸克的總質(zhì)量也隨之改變其自身頻率。由于氧化效應(yīng)或外來物質(zhì)附著在電極材料上,電極質(zhì)量可能會(huì)隨著時(shí)間的推移而進(jìn)一步變化。石英材料和膨脹金屬層的表面形成多孔表面,很容易將異物附著在上面。這種效應(yīng)可以通過在石英外殼中填充氮?dú)夂蜌錃獾亩栊詺怏w混合物來減輕。然而,例如,石英軸承上的石英粘合劑的排氣可能會(huì)導(dǎo)致時(shí)間相關(guān)的老化效應(yīng)。
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作用于石英的機(jī)械力(機(jī)械應(yīng)力)也會(huì)導(dǎo)致衰老效應(yīng)。石英晶振晶體本身由高度有序的晶格組成。制造過程中的加工過程,如鋸,研磨或拋光,會(huì)部分?jǐn)_亂這些晶格,從而改變石英材料的物理特性。隨著時(shí)間的推移,晶格中的松弛效應(yīng)會(huì)消除這些缺陷或晶格錯(cuò)誤,從而導(dǎo)致頻率變化(老化)。此外,將石英懸掛在外殼中會(huì)產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力,石英材料必須適應(yīng)。石英軸承,導(dǎo)電膠和石英的連接在操作過程中越來越匹配,在一定的輸入時(shí)間后,只檢測(cè)到諧振頻率的微小變化,并保持接近穩(wěn)定的狀態(tài)。
振動(dòng)夸克在第一年的典型老化值是: 已 電阻焊接外殼:1-5 ppm/a 冷焊外殼:0.05 – 1 ppm/a
電平依賴性是共振頻率對(duì)通過振動(dòng)夸克傳導(dǎo)功率的依賴性,通過改變電平,共振和相位曲線會(huì)發(fā)生變化。通常,諧振頻率與功率之間存在線性依賴關(guān)系,其影響大約為 10-9/μW,對(duì)于 SC 截面中的石英,其影響通常小于 AT 截面。特別是當(dāng)水平隨著時(shí)間的推移而波動(dòng)或偏離時(shí),會(huì)出現(xiàn)問題。
一般來說,應(yīng)始終在其設(shè)計(jì)和制造的水平下運(yùn)行。較高的控制電平產(chǎn)生不需要的振動(dòng)模式,導(dǎo)致頻率溫度特征線的嚴(yán)重惡化,加速老化,并可能由于諧振器過熱而改變頻率。通過過載完全破壞石英也是可能的。
活動(dòng)點(diǎn)差的特點(diǎn)是偏離三階頻率-溫度曲線。特別是對(duì)于TCXO晶振的晶體,崩潰會(huì)導(dǎo)致問題,因?yàn)樗鼈冊(cè)诤軐挼臏囟确秶鷥?nèi)運(yùn)行。 活動(dòng)點(diǎn)滴是由機(jī)械連接引起的不良模式引起的。在這里,兩種不同的模式具有不同的溫度行為,在給定的溫度下交叉。在這一點(diǎn)上,振動(dòng)能量部分地從所需的模式轉(zhuǎn)移到不需要的模式。 入射受諧振器設(shè)計(jì)、控制電平和振蕩器電路條件的影響。
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