贴片晶振取向

石英晶振的演变是在1880年,柯里兄弟在实验中证明了压电现象的存在,实验是用从各种晶体中切割出的四边形板进行的.虽然他们使用四边形板的原因没有被记录下来(据我所知),但人们认为这只是一个简单的权宜之计.

术语"条形谐振器","AT条形谐振器"和"BT条形谐振器"通常用于描述薄型表面安装晶体单元."条形"和"谐振器"这两个词意味着它们从根本上不同于传统的晶单元.然而,没有这样的区别;术语"谐振器"同样可以用来描述传统的圆形石英平板晶体."谐振器"简单地说是"一种装置或系统,如压电晶体或电路,能够通过另一个系统中的振荡而产生振荡"(韦伯斯特新世界词典,第三学院版,1986年)."条带"一词确实意味着矩形形状,但是由于许多表面贴装贴片晶振封装容纳正方形谐振片,在本讨论中,我们将使用术语"四边形",而不是"正方形"和"矩形"

压电谐振器可以控制振荡器频率的发现创造了晶体单元市场,起初主要由业余无线电操作员组成.随着晶体控制的好处越来越受到人们的重视,商业电台转换了他们的设备,市场迅速扩大.在晶振单元制造的最初几年,几乎所有的商用单元都是用四边形板制造的,因为这种板相对容易成形.

四边形板的使用一直延续到第二次世界大战中期军方采用石英晶振控制.许多军用和商用的盘子都很大—每边一英寸或更大.在战争年代,对晶体单位需求的增加使得石英成为越来越有价值的商品;对更有效利用的需求推动了替代(较小)板设计的发展.然而,四边形板的使用一直延续到20世纪60年代初,尤其是在"火腿"无线电应用中.

晶体行业现在似乎已经走上了一个完整的循环:在表面贴装器件对更小体积晶振尺寸封装不断扩大的需求的驱动下,四边形板已经重返市场.尽管技术有所进步,四边形板仍然呈现出困扰当今制造商的特性,就像它们挑战过去一样.今天的大部分需求是更高频率的切割晶体.因此,我们将只讨论那些,重点放在AT切割晶体上.

取向

图1.0显示了人工培养石英石的俯视图.Y轴是机械轴,如图所示从一端延伸到另一端.Y形切割板从石头上切割下来,其厚度尺寸与Y轴平行.Y形切割板的频率主要由它们的厚度决定.然而,Y形切割板显示出不希望的特性,使得它们不适合商业使用,因此今天使用的大多数板都是以稍微旋转的角度切割的,导致板具有更希望的,可再现的属性(最重要的是频率稳定性与温度的关系).从图中可以看出,最常见的两种单独旋转的Y形切口是AT形切口和BT形切口,它们在方向上几乎彼此相对.如下所述,这种方向上的差异导致操作特性上的显著差异.

四边形板:"寄生"频率和"耦合模式"

图2.0显示了贴片石英晶体板中可能诱发的各种振动模式.AT和BT板主要在厚度剪切模式下振动.然而,重要的是要理解,任何石英板都可以以一种或多种图示模式振动,甚至以两种或多种模式的某种组合振动."其他"类型的振动可由电,机械,声学,热或这些因素的某种组合引起;这些诱导响应通常被称为"耦合"或"不需要的"模式.更复杂的是,只要厚度剪切模式通电,任何单旋转厚度剪切谐振器也将在面剪切模式下振动.

AT板的厚度剪切频率响应可以用三位数字系统来描述:第一位数字表示穿过板厚度的半波数,第二位数字表示沿板的X轴的环路数,第三位数字表示沿Z轴的环路数.泛音总是基频的奇数倍,所以使用这个术语,模式1,1,1；3,1,1；5,1,1；等等.,分别代表主模式,三次谐波和五次谐波泛音.

具有直边和正方形边缘的共振板被理想地成形为反射波并便于驻波的产生.不期望频率的波的产生会引起问题;在厚度剪切板的情况下,"寄生"频率响应和"耦合模式"特别值得注意.

对于四边形AT切割板,近似频率的方程为:

其中m,n和p是整数,r是石英的密度(2.65),T是厚度,L是长度,W是以厘米为单位的板的宽度;C66,C11和C55分别是石英在X,Y和Z方向上的弹性常数.

在上面的等式中,如果m=n=p=1,那么所记录的频率是主模式频率,或者板在厚度剪切模式下振动的最低频率.理论上,这种板在给定的尺寸下不会有"虚假"的响应.然而,在使用四边形板时,要达到这一条件非常困难;它们通常显示一个频率范围,描述为f1,3,1或f1,3,3或其他整数组合.因此,该板不仅在主模式下振动,而且在几个"虚假"频率下振动.四边形板倾向于表现出大幅度的"寄生"频率,并且它们的"寄生"频率倾向于接近主模式,使得这些"寄生"频率特别成问题.[注:使用"假"一词来描述有源晶振单元制造早期的基本日期以外的频率.当在被认为不能或不应该存在的频率上观察到强烈的振动时,由于缺少更好的术语,"虚假"一词被使用.现在已经知道,这些频率是自然发生的,可预测的厚度剪切频率响应决不是"假的"尽管如此,这一术语仍在广泛使用,而且可能会持续一段时间;在本次讨论中,我们将继续用引号将该术语括起来.]

"虚假"频率响应的幅度和间隔(与主模式)在某种程度上可以通过仔细选择板尺寸和/或斜切板边缘来控制.然而,一般来说,使用带有圆形电极的圆形石英板使得分离和抑制"虚假"响应更加简单.使用圆形空白消除了频率方程中的一个变量;近似频率由以下公式得出:

其中除了D(以厘米为单位的板的直径)之外的所有项都如等式1所示.此外,圆板的使用消除了四边形板的直边,这往往会增强"虚假"频率的振幅.因此,即使使用圆板也不能完全消除"虚假"响应,它们的振幅通常很小,也没有那么麻烦.

应该注意的是,两个方程只产生近似频率,部分原因是板块不是无限的.然而,它们确实能够估计"虚假"响应的频率,更重要的是,它们与主模式的分离.仔细选择电极直径和使用的金属量,在一定程度上可以控制和抑制"虚假"响应.

除了"虚假"频率响应之外,四边形板还可能具有其他振动模式,这些振动模式的频率接近或等于主模式或期望模式.这些"耦合模式"的频率是侧板尺寸的函数;因此,必须仔细选择要使用的板的尺寸,以最小化或消除"耦合模式"通常只有几千赫的变化需要尺寸的显著变化.在第二次世界大战期间,精心制作的"安全"尺寸与频率的关系表被开发出来,并在此后数年中一直被普遍使用.