Fundamental of Crystal Unit / Crystal Resonator

 Ø 石英元件(石英晶體/石英晶體諧振器)概述

石英晶體諧振器(英文:Quartz Crystal Unit或Quartz Crystal Resonator,常簡寫成X’TAL),簡稱石英晶體。是利用石英(又稱水晶)的壓電效應,用來產生高精度振盪頻率的一種電子元件,屬於被動元件。

石英晶體的用途是什麼呢?當電子設備在積體電路(IC)上運行時,IC需透過參考時脈做為IC系統訊號使用,石英晶體就像是時鐘的基礎信號源。

如果以人體為例,可以把石英晶體想像為心臟跳動時的血液頻率和脈搏率。

◎ 石英(水晶)的特性:

 石英有天然石英和人工石英。天然石英和人工石英均為多面體形狀。

目前電子元件所使用的主要是人工石英材料,主要成分為氧化矽之結晶體SiO2,同時具有(正)壓電效應以及逆壓電效應的物理特性。

由於石英晶體同時存在(正)壓電效應以及逆壓電效應,進而形成週期性振動,所以利用此效應可得到石英晶體振動頻率。

(正)壓電效應,當施加壓力在石英表面時,石英表面的兩邊會產生正電位和負電位,若將壓力改為拉力時,石英表面兩邊的電位會互換,而對於此物理現象,稱之為壓電效應,壓電效應是一種機電能量互換的現象。

 而逆壓電效應,則是以電能輸入使之產生機械能或位移(形變)的輸出。

如果把交變電壓施加到石英晶片兩面之間的電極時,當交變電壓的頻率與石英晶片固有頻率一致

時,通過逆壓電效應,晶片便會產生機械振動,同時又通過正壓電效應而輸出電信號,如此交互

的動作下持續產生頻率,而石英材料的壓電效應是有方向性的,只在電氣軸方向才具有壓電效應。

而具有這種特性的材料,我們稱為壓電材料,所以石英元件也稱為壓電元件。

◎   石英(水晶)切割方式與振動模式:

而石英元件是採用人工水晶做為基本原料,而人工水晶會依各個結晶軸而呈現不同的成長速度,

所以外型與我們一般常見的天然石英也有所不同。

石英晶體依照切割角度的不同,會得到不同的振動模式。其切割角度方向如圖1所示。

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圖1. 在Z-plate石英結構上,有幾種不同角度的切割方式

 

而其中從Z軸以35° 15’的角度切割後所得的石英晶片,便稱為AT Cut石英晶體(諧振器),以厚度

切變進行振盪動作;而BT Cut則是以-45°的角度切割後所得的元件。

AT和BT石英晶體切割方式,其頻率範圍和頻率係數(石英晶片厚度和振盪頻率間關係)如表1。

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表1. 晶片厚度與頻率的關係

 

石英晶體的頻率溫度特性,依其曲線形狀分為兩種類型;一個是三次曲線,另一個是二次拋物曲線。AT 和 BT 切割方式的頻率溫度特性曲線,則分別顯示在圖 2。然而與AT Cut相較之下,BT Cut在溫度特性精確度上較為不足,因此現在幾乎已不再使用此種切割方式。目前採用AT Cut切割方式的石英晶體使用最為廣泛,因為它們能夠根據在以室溫為基準的溫度範圍內,產生更小因為溫度變化所產生的頻率誤差變化量。

 

- 不同切割模式下頻率變化與溫度關係

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圖2. 溫度特性曲線

(左圖為AT-Cut切割方式;右圖為BT-Cut切割方式)

 

- 依振動模式的區分

目前多以AT cut切割方式為主,故以AT Cut為例說明,如圖3所示。

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圖3. 厚度切變振動模式 (AT-Cut, Thickness shear vibration)


石英晶體元件等效電路

圖4為石英晶體元件簡化後的等效基本電路。

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圖4. 石英晶體等效電路


  -  串聯電阻(R1):Equivalent Series Resistance

石英晶體的等效串聯電阻是以歐姆為單位(kHz range產品,單位為kΩ ; MHz range產品,單位

為Ω)。在等效電路中的串聯電感(L1),和串聯電容(C1),兩個是相位相反(差180˚)的相等阻抗。

在有負載的振盪電路時其結果是相互抵消的,只剩下電阻(R1)特性,來形成串聯諧振。

在串聯諧振量測石英晶體阻抗(CI, Crystal Impedance)時,通常會稱此為等效串聯諧振電阻(ESR),

代表振盪能源的損耗(如振盪時所產生的內部摩擦、與石英晶片維持相關的機械性損耗)。


-  等效串聯電感(L1):Equivalent Series Inductance

石英晶體本身物理性質,與諧振頻率有關,代表振盪部位的質量。

又稱為動態電感(Motional Inductance)。


-  等效串聯電容(C1):Equivalent Series Capacitance

石英晶體本身物理性質,與諧振頻率有關,代表石英晶片的順應性

(Compliance),所以又稱為動態電容(Motional Capacitance)。


- 並聯電容(C0):Shunt Capacitance

石英晶片的兩面電極間的靜電電容,並聯電容的特性表示與石英的介電係

數、石英晶片兩電極的面積大小,以及石英晶片基座的雜散電容量有關,

由於與晶體諧振頻率無直接關連,又稱為(靜態電容, Static Capacitance)。


2021-05-28