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石英晶体与频率控制元件

作者:

2019-09-06

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石英是由矽原子和氧原子组合而成的二氧化矽(Silicon Dioxide, SiO2), 以32点群的六方晶系形成的单结晶结构〔图 一〕.单结晶的石英晶体结构具有压电效应特性, 当施加压力在晶体某些方向时, 垂直施力的方向就会产生电气电位. 相对的当以 一个电场施加在石英晶体某些轴向时, 在另一些方向就会产生变形或振动现象. 掌握单结晶石英材料的这种压电效应, 利用其发 生共振频率的特性, 发挥其精确程度作为各类型频率信号的参考基准, 就是水晶震荡器的设计与应用. 因为石英晶体具有很高的 材料Q值,所以绝大部份的频率控制元件,如共振子及振荡器,都以石英材料为基础. 以石英为基础的频率控制元件可以依其压电振 动的属性, 可以分为体波(bulk wave)振动元件及表面声波(surface acoustic wave)振动元件. 体波振动元件如石英晶体共振子, 石英晶体滤波器及石英晶体振荡器, 表面波振动元件如表面波滤波器及表面波共振子. 当石英晶体以特定的切割方式, 以机械加 工方式予以表面研磨, 完成特定的外型尺寸就是通称的石英晶片(quartz wafer 或 quartz blank ). 将这个石英晶片放置在真空还 境中, 于表面镀上电极後,再以导电材料固定在金属或是陶瓷基座上, 并加以封装, 就成为一般所谓的石英晶体共振子( quartz crystal resonator ). 利用石英共振子在共振时的低阻抗特性及波的重叠特性, 用邻近的双电极, 可以做出石英晶体滤波器. 将石 英振荡子加上不同的电子振荡线路, 可以做成不同特性的石英振荡器. 例如: 石英时脉振荡器(CXO), 电压控制石英晶体振荡器 (Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO), 温度补偿石英晶体振荡器(Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO), 恒温槽控制石英晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO)…等. 相对於体波谐振的是表面声波的谐振. 将 石英晶体表面镀以叉状电极(inter­digital­transducer, IDT)方式所产生的表面振荡波, 可以制造出短波长(高频率)谐振的表面声 波共振子(SAW Resonator)或表面声波滤波器(SAW Filter).
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