人類研究石英晶體及石英水晶已經(jīng)有一百多年的歷史了，AT切割的諧振器因為方法簡單，而且可以滿足常用封裝的要求，被廣泛應用到晶體生產(chǎn)中。使用AT切割的石英晶體諧振器通常是低頻的，常見的低頻有8.000MHz，12.000MHz，16.000MHz，20.000MHz，24.000MHz，32.000MHz等頻率。但今天我們用來做研究和實驗的頻率，并不是這些頻點的其中之一，而是比較少人用但不是沒用的50.000MHz和54.000MHz。通過能量捕獲提高第三諧波諧振器性能的基本TS現(xiàn)代阻抗的研究，接下來是TXC晶振公司的實驗過程，結(jié)果與結(jié)論。

AT切割石英晶體諧振器廣泛用于現(xiàn)代電路中。從家庭娛樂設(shè)備，PC，筆記本電腦到個人便攜式設(shè)備等，石英諧振器通常向中央處理單元（CPU）提供準確的頻率信號，如心跳。由于無線和通信的進步，更高頻率的源對于提高通信速度和質(zhì)量越來越重要。由于ATcut石英的頻率到溫度穩(wěn)定性，厚度剪切模式（TS模式）是石英水晶振動子的主要模式。在TS模式中，頻率與板的厚度成反比。板越薄，頻率越高。然而，較薄的板意味著石英芯片的成本較高，因為脆性材料研磨很難。有幾種方法可以通過低頻石英諧振器獲得更高頻率的信號源。使用高泛音模式是經(jīng)濟方法之一。

石英諧振器廣泛用作電子設(shè)備的頻率源。AT切割石英板的主要模式是厚度剪切模式，其頻率與板厚度成反比。由于夾層結(jié)構(gòu)，AT晶體諧振器中僅存在奇數(shù)厚度剪切泛音。通常，基模的振幅大于所有泛音的振幅。這意味著基模的效應串聯(lián)電阻最低。在本文中，基本和第三泛音的不同能量俘獲效應被用來控制這兩種模式的電阻比。兩種5.0*3.2mm尺寸的諧振器，50MHz和54MHz三次諧波（基頻模式頻率分別為16.67MHz和18MHz），制成不同的斜切芯片。與第三泛音相比，基模具有更長的波長和更強的穿透能力，通過安裝端吸收能量。實驗數(shù)據(jù)表明，適當?shù)男鼻锌梢詼p少三次諧波的能量通量，但允許一些基本能量的能量通量向外傳播。然后可以控制這兩種模式的電阻比。

由于電邊界條件，只能存在TS模式的奇數(shù)，第3，第5......等。基本模式的抵抗力最低，并且泛音的抵抗力更高。如果振蕩電路被設(shè)計為激勵第三泛音，而不是基本模式，則它是一個三維貼片石英晶振。這種諧振器的頻率可以提高3倍，但電阻也會提高。它依賴于振蕩電路的負阻調(diào)節(jié)來抑制基模。然而，由于過程溫度變化，IC負電阻將是方差，并且基模可能導致諧波噪聲降低信號性能。如果基本模式的電阻可以設(shè)計得高于第三泛音的電阻，那么它是一個更好的第三泛音諧振器，因為IC可以更容易地激發(fā)第三泛音模式，干擾更少。

精美的石英芯片和能量捕獲：

斜面石英芯片是一種邊緣較薄的水晶板。斜角有兩個主要目的。一種是將振動能量捕獲在中心區(qū)域以減少安裝損失，另一種是從不需要的模式“移開”。本文側(cè)重于前者。

圖1.帶有安裝膠的斜面石英芯片示意圖

圖1顯示石英諧振器是電極-石英-電極結(jié)構(gòu)，如夾層結(jié)構(gòu)。帶電極的中心區(qū)域比其他區(qū)域厚，甚至是沒有斜角的扁平芯片。能量可以被困在中心，因為中心的截止頻率低于周圍的截止頻率。波在外面?zhèn)鞑r會衰減。輪廓芯片可以增強低頻（思想板和更長波長）諧振器中的能量捕獲效應。

位移場模擬：

在本節(jié)中，我們模擬了兩個第三泛音諧振器的位移場，50MHz和54MHz，平面和等高石英芯片。這兩個諧振器的尺寸為50MHz：石英芯片-3.5*1.78mm2;電極-2.31*1.19mm254MHz：石英芯片-3.5*1.775mm2;電極-2.24*1.12平方毫米。

圖2.兩個第三泛音諧振器的幾何模型

圖3.用于模擬（50MHz）的扁平和輪廓石英芯片安裝端的放大圖

圖2顯示了石英板的兩個角被安裝，我們使用完美匹配層（PML）來模擬陶瓷基板上環(huán)氧樹脂的行為。圖3是嵌入環(huán)氧樹脂中的扁平和輪廓石英芯片的放大圖。

圖4.采用FLAT芯片的50MHz三次諧波諧振器的位移場

圖5.采用BEVELED芯片的50MHz三次諧波諧振器的位移場

圖6.帶有FLAT芯片的54MHz三次諧波諧振器的位移場

圖7.帶有BEVELED芯片的54MHz三次諧波諧振器的位移場

圖4至7是模擬結(jié)果。對于具有扁平芯片的基本模式（波長長于第三泛音的波長），振動可以延伸到安裝區(qū)域。然后，當芯片傾斜時，位移場可以稍微集中到中心。對于第三泛音模式，當芯片是平坦的時，振動幾乎被限制在電極電鍍區(qū)域中。因此，似乎斜面芯片顯然不會改變第三泛音的位移場。50MHz和54MHz三次諧波諧振器都顯示出這種趨勢。

實驗和結(jié)果：

測量具有不同傾斜芯片的兩個第三泛音壓電石英晶體的效應串聯(lián)電阻（ESR）。斜切管的直徑為120mm，圖8和圖9是這些石英芯片的輪廓。隨著斜切時間的增加，芯片進一步傾斜。

圖8.5,10,12和15小時后斜切的平坦和斜面50MHz第三泛音芯片的輪廓

圖9.5,10,12和15小時后斜切的平坦和斜面54MHz三次泛音芯片的輪廓

我們還在每個斜切時間之后測量斜切片的邊緣厚度。圖10是“邊緣厚度”的草圖。表I和II是邊緣厚度的測量數(shù)據(jù)。

圖10.5,10,12和15小時后斜切的平坦和斜面54MHz三次泛音芯片的輪廓

表1.50兆赫第三泛音諧振器的邊緣厚度

表2.54兆赫第三泛音諧振器的邊緣厚度

圖11和12分別是50MHz和54MHz晶振的斜切時間圖的ESR。對于3階泛音模式，斜角不會對ESR產(chǎn)生太大影響，因為即使在平板中，振動也可以限制在電極鍍層區(qū)域。然而，對于基本模式，進一步的斜切可以降低ESR，因為輪廓形狀可以抑制通過安裝端下沉的振動能量。這些趨勢符合第III節(jié)中的位移場模擬結(jié)果。

圖11.50MHz諧振器斜切時間圖的基本和第三次諧波ESR

圖12.54MHz諧振器斜切時間圖的基本和第三次諧波ESR

圖13和14是斜角時間圖的ESR比率（第3個OT/基金。）。當比率小于1時，基本ESR大于第三泛音。基本模式的能量通過安裝膠水嚴重損失到陶瓷基座上。在相同的斜切過程中，在54MHz下比率可以更容易大于1。由于54MHz的波長短于50MHz的波長，54MHz石英晶體的波傳播能力比50MHz的波傳播能力差。輕微的斜角可以向外切割短波長的能量通量。

圖13.50MHz諧振器的斜角時間圖的ESR比（第3個OT/基金。

圖14.ESR比（第3個OT/基金。）到54MHz諧振器的斜切時間圖

根據(jù)仿真和實驗數(shù)據(jù)，適當?shù)男鼻锌梢詼p少三次諧波的能量通量，但允許一些基本能量的能量通量向外傳播。然后可以控制這兩種模式的電阻比，以避免諧波噪聲，提高三次諧波石英晶振的性能。