石英晶體音叉介紹

石英晶體音叉，或手表晶體，是最古老的石英晶體設(shè)計(jì)之一。音叉最初用于手表和時(shí)鐘的計(jì)時(shí)，現(xiàn)在也用于現(xiàn)代電子產(chǎn)品，如計(jì)算機(jī)，作為實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)。全球供應(yīng)商每年制造數(shù)以億計(jì)的這種獨(dú)特形狀的石英晶體。音叉晶體有多種尺寸可供選擇，以滿足設(shè)計(jì)需求，每年的趨勢(shì)都指向更小的表面貼裝晶體封裝。音叉晶體ECS-.327-12.5-39-TR頻率和拋物線溫度曲線6G晶振

石英晶體被命名為音叉，因?yàn)榫w板的設(shè)計(jì)，也被稱為晶片或空白，類似于音樂音叉的形狀。工作原理是相似的；兩個(gè)柄腳將以一定的頻率振動(dòng)。音叉的頻率由音叉柄腳的質(zhì)量和尺寸確定，包括長(zhǎng)度、寬度和高度。

音叉水晶背景

顧名思義，石英晶振是由石英制成的。傳統(tǒng)上，石英是一種天然存在的硬礦物，但今天的大多數(shù)石英是在高壓釜中合成生長(zhǎng)的，這提供了比天然石英更高的標(biāo)準(zhǔn)純度。使用石英是因?yàn)楫?dāng)施加機(jī)械壓力和張力時(shí)，石英變成壓電的，并且會(huì)產(chǎn)生電荷。這種壓力引起機(jī)械振動(dòng)，我們稱之為頻率。

石英需要以精確的角度切割，以啟動(dòng)特定的振動(dòng)模式，并確保壓電效應(yīng)發(fā)揮作用。最常見的水晶設(shè)計(jì)之一是AT切割水晶。AT切割晶體的頻率由晶體的厚度決定。比如:晶體越薄，頻率越高。晶體的振動(dòng)質(zhì)量將直接決定晶體振蕩器電路設(shè)計(jì)需要并聯(lián)還是串聯(lián)諧振晶體。

音叉晶體頻率和工作原理

有四種常見的晶體機(jī)械振動(dòng)模式:彎曲、拉伸、表面剪切和厚度剪切。石英晶體音叉晶振將以彎曲模式工作，其特征在于柄腳在水平面上獨(dú)立但同相地振動(dòng)。彎曲模式晶體主要在低于1 MHz的低頻范圍內(nèi)工作。雖然泛音模式是可能的，但音叉晶體主要用作基頻。

最常見的石英晶體頻率是32.768kHz。這個(gè)頻率已經(jīng)變得很常見，因?yàn)楫?dāng)32.768kHz除以2/15時(shí)，就有一個(gè)1Hz的信號(hào)。1Hz信號(hào)將持續(xù)提供一秒鐘的時(shí)間。這為星期、日期和時(shí)間的出現(xiàn)提供了可靠的計(jì)時(shí)系統(tǒng)。經(jīng)典音叉的頻率最終是簡(jiǎn)單的算術(shù)運(yùn)算和石英生產(chǎn)的一般條件的結(jié)果。音叉晶體ECS-.327-12.5-39-TR頻率和拋物線溫度曲線6G晶振

音叉晶體拋物線溫度曲線

由于其獨(dú)特的形狀，音叉晶體不能在很寬的溫度范圍內(nèi)提供高精度。它們的溫度精度可以繪制成隨溫度變化的拋物線。在室溫或大約+25°c時(shí)，該精度通常為20ppm，相當(dāng)于每天增加或減少1.7秒時(shí)間，或每年增加或減少10.34分鐘時(shí)間。圖1顯示了極高和極低溫度下精度的下降。這些溫度下的典型精度比150ppm差得多，相當(dāng)于每天損失近13.0秒的時(shí)間，或每年損失約1.3小時(shí)。32.768 kHz音叉晶體的常見拋物線系數(shù)為0.04 ppm/ C2。

確定音叉頻率穩(wěn)定性的拋物線

如何確定典型32.768 kHz音叉晶體的溫度與精度

典型晶體在特定頻率(f)和溫度(T)下的頻率偏差(δf)為:

δf/f = k(T–To)2+ fo

其中:

• f是標(biāo)稱晶體頻率
• k是曲率常數(shù)
• t是溫度
• To是周轉(zhuǎn)溫度
• fo是室溫下的頻率偏差

對(duì)該方程的分析揭示了只有三個(gè)變量控制晶體在溫度范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)。它們是曲率接觸、翻轉(zhuǎn)溫度和室溫頻率偏差。曲率常數(shù)對(duì)頻率偏差隨溫度變化的拋物線性質(zhì)影響最大，但該常數(shù)具有非常小的偏差。不同的轉(zhuǎn)變溫度使偏離曲線向左或向右移動(dòng)，室溫下不同的頻率偏離將使曲線向上或向下移動(dòng)。音叉晶體ECS-.327-12.5-39-TR頻率和拋物線溫度曲線6G晶振

汽車級(jí)音叉晶體

當(dāng)涉及溫度時(shí)，汽車級(jí)音叉晶體也應(yīng)考慮在內(nèi)。ECS Inc. International的汽車級(jí)晶體在符合IATF-16949標(biāo)準(zhǔn)的工廠制造，并通過了AEC-Q200認(rèn)證。如果需要，這些元件支持PPAP，并提供標(biāo)準(zhǔn)音叉晶體中沒有的特殊性能。

汽車級(jí)音叉可以指定為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格，如-40°C ~ 85°C，但也提供擴(kuò)展的溫度范圍，達(dá)到+105°C，在某些情況下達(dá)到125°C。根據(jù)其應(yīng)用，汽車級(jí)晶體通常會(huì)受到極端溫度變化的影響；這些晶體可以在一天內(nèi)多次感受到超過100攝氏度的溫度變化。加固的AEC-Q200車載晶振具有更多連接點(diǎn)，在高沖擊和振動(dòng)環(huán)境下具有出色的性能。例如，當(dāng)人們乘坐汽車時(shí)，主動(dòng)懸架會(huì)不斷調(diào)整駕駛以獲得最佳舒適性，輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)位于車輪中，確保乘客可以從A點(diǎn)到達(dá)b點(diǎn)。加固晶體和其他組件可以歸功于汽車操作系統(tǒng)的成功，這些系統(tǒng)經(jīng)受了如此多的壓力。

通孔晶體

通孔晶體是標(biāo)準(zhǔn)表面貼裝晶體中第二常見的音叉晶體。通孔晶體是密封的，因此通孔晶體的溫度性能可以與標(biāo)準(zhǔn)的32.768 kHz音叉晶體相媲美。兩者的主要區(qū)別不在于性能，而在于通孔晶體需要手工放置在印刷電路板上，這增加了制造時(shí)間。音叉晶體ECS-.327-12.5-39-TR頻率和拋物線溫度曲線6G晶振