根據(jù)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)在市場上比較受歡迎的頻率控制元器件，是小體積貼片型的石英晶體，拆開任何電器或電子產(chǎn)品，都可以在電路板上找到它。而且現(xiàn)在的尺寸也越做越小，雖然像1.6*1.0mm，1.2*1.0mm，1.0*0.8mm這些還沒完全實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，也沒有大量投放使用，但未來這些小封裝很可能會(huì)風(fēng)靡整個(gè)市場。目前客戶主要用到的封裝，仍然是5032晶振，3225晶振，2520晶振和2016晶振這些封裝。

隨著個(gè)人通信的需求，諸如蜂窩電話和全球定位系統(tǒng)（GPS）的無線裝置變得更小和更輕，尺寸和功耗是小型化便攜式電子裝置中的組件的主要關(guān)注點(diǎn)。為了回應(yīng)這一趨勢，電路-音叉晶體/振蕩器的核心現(xiàn)在從7mmx5mm減小到2mmx1.6mm，并將進(jìn)一步縮小。然而，尺寸減小也犧牲了諧振器的晶體阻抗和Q值。捕獲AT切石英板的厚度剪切振動(dòng)能量可以保持低頻或較厚諧振器的性能。捕獲振動(dòng)能量的最常見方式是將平面石英板傾斜成凸平面或凸凸面板。臺(tái)灣晶體公司研究了能量捕獲效應(yīng)的分析和模擬。捕獲能量和解耦不需要的模式的另一種方法是通過階梯電極。

在本文中，我們采用階梯電極和斜角方法來捕獲空白電極下方中心區(qū)域的振動(dòng)能量，以保持低晶體阻抗和高Q值。我們?cè)O(shè)置了四組具有不同電極和斜角條件的坯料，以驗(yàn)證階梯電極的效果。這些實(shí)驗(yàn)基于3.2mmx2.5mm尺寸和15MHz頻率的毛坯。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)碾A梯式電極設(shè)計(jì)可以獲得良好的能量捕獲效果。

隨著石英諧振器的尺寸不斷縮小，平面石英晶體的斜角需要降低安裝損耗并維持能量捕獲，從而具有較低的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)阻力。然而，對(duì)于小尺寸和低頻率的石英晶體來說，斜切過程是耗時(shí)且難以控制的。近年來，對(duì)階梯電極（a.k.abi-mesa電極）的研究開始出現(xiàn)。據(jù)信，平面晶體上的階梯電極可以像斜面晶體一樣完成能量捕獲的部分工作。在本文中，我們報(bào)告我們自己的階梯電極的研究，具有以下配置-平面晶體上的單層電極，平面晶體上的階梯電極，斜面晶體上的單層電極和斜面晶體上的階梯電極。本研究的載體是15MHz 3225晶振。初步結(jié)果表明，階梯電極可以提供一定程度的能量捕獲作為斜面晶體。

無限切割石英板的能量捕獲：

能量捕獲理論基于駐波原理，即諧振只能發(fā)生在截止頻率以上的頻率。當(dāng)我們考慮具有厚度t的無限AT切割板時(shí)，其基本厚度剪切共振頻率為：

其中c'是AT切割石英板的剛度常數(shù)，ρ是石英的密度。如果我們?cè)谟晌措婂儏^(qū)域B圍繞的指定區(qū)域A中的石英板上鍍電極，則電極的質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)使得區(qū)域A的有效厚度等于t'。電極區(qū)域的頻率是：

電極區(qū)域A和未電鍍區(qū)域B的截止頻率分別為fE和fB。頻率高于fE且低于fB的波可以存在于區(qū)域A中，因?yàn)榈陀?/span>fB的頻率不能離開未電鍍區(qū)域。具有fE和fB之間頻率的區(qū)域A中的波被全反射成為駐波。如果這些波被正確的頻率激發(fā)，就會(huì)產(chǎn)生刺激。頻率高于fB的波向外朝向未電鍍區(qū)域行進(jìn)并且不被反射以形成駐波。為了抑制具有圓形電極的諧振器中的所有非諧波泛音模式，我們有：

其中n是泛音數(shù)，d是圓形電極的直徑。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

斜面和階梯狀電極石英晶體板的示意圖如圖1和2所示。

圖1.階梯式電極石英板的草圖

圖2.斜面石英板的草圖

我們?cè)O(shè)置了四組具有不同階梯電極和斜切條件的芯片，以驗(yàn)證階梯電極的效果。本研究的車輛均為3.2mmx2.5mm尺寸的15MHz諧振器。各組的條件列于表1中。

表1.每組的階梯電極和斜角條件

第一組中的坯料鍍有一個(gè)金屬電極層（1.19*2.28mm2）但沒有斜面。第二組中的坯料鍍有兩個(gè)金屬電極層（1.19*2.28mm2和0.8*1.65mm2），但沒有斜面。第三組中的坯料鍍有一個(gè)金屬電極層（1.19*2.28mm2）并具有適當(dāng)?shù)男泵妗Ｗ詈笠唤M中的坯料鍍有兩個(gè)金屬電極層（1.19*2.28mm2和0.8*1.65mm2）并具有適當(dāng)?shù)男泵妗Ｎ覀兪褂妹拷M中Quartz Crystal的等效串聯(lián)電阻（ESR）作為能量捕獲效率的指標(biāo)。每組的ESR（消除輪廓線）列于Table2中。

表2.每組ESR的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差

MINITAB對(duì)每組ESR的統(tǒng)計(jì)分析見圖3至6。

圖3.組＃1的ESR統(tǒng)計(jì)分析

圖4.組＃2的ESR統(tǒng)計(jì)分析

圖5.組＃3的ESR統(tǒng)計(jì)分析

圖6.組＃4的ESR統(tǒng)計(jì)分析

對(duì)于低頻或厚石英板，需要捕獲高Q值和低晶體阻抗的振動(dòng)能量。斜角是實(shí)現(xiàn)此目的的一種非常有效的方法。然而，在微型諧振器中，傾斜石英板是耗時(shí)且難以控制的。通過本研究的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在沒有斜面的石英板上施加階梯電極可以明顯降低ESR。即使對(duì)于斜面晶體，階梯式電極也可以集中ESR特性并使質(zhì)量更穩(wěn)定。通過適當(dāng)設(shè)計(jì)每個(gè)電極的層數(shù)，面積和厚度，可以更加降低晶體阻抗，以適應(yīng)振蕩器電路的需求。在微型壓電石英晶體中，階梯式電極是斜角或獨(dú)立地完成能量捕獲工作的良好選擇。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，只有一個(gè)電極但沒有正確斜面的空白（組＃1）具有最高的ESR。這意味著＃1組中的芯片只能捕獲少量的振動(dòng)能量。具有兩個(gè)階梯式金屬電極但沒有斜面（組＃2）的坯料具有較低的ESR，其僅為組＃1的28％。組＃3的ESR（具有適當(dāng)斜角和僅一個(gè)電極層的空白）僅為組＃1的5％。第4組告訴我們，當(dāng)我們將階梯電極應(yīng)用在斜面石英板上時(shí)，我們可以進(jìn)一步降低ESR。由于具有適當(dāng)斜角的石英板的ESR已經(jīng)非常低，階梯電極只能增強(qiáng)一些阻抗特性。然而，如果我們比較組＃3的ESR標(biāo)準(zhǔn)偏差和分布與組＃4的分布，我們可以發(fā)現(xiàn)階梯電極使ESR特性更集中，并且它有利于控制石英晶體諧振器的質(zhì)量。

以上就是本次實(shí)驗(yàn)的過程及結(jié)果，由TXC晶振公司完成并提供資料，金洛鑫電子整理后分享給大家，更多的晶振資訊和技術(shù)資料，可以收藏關(guān)注金洛鑫電子官方網(wǎng)站，每天都會(huì)更新內(nèi)容，帶你了解更多關(guān)于晶振的知識(shí)和信息。