NKG音叉石英晶体介绍

1、音叉石英晶体介绍
音叉晶体，也称为腕表晶体，是最古老的晶体设计之一，用于手表、时钟以及当今计算机和其他电子设备（如实时时钟）的时间控制。
如今，这些晶体单元正以各种封装尺寸和形状大规模生产。与行业中的任何地方一样，小型化也影响了这种晶体类型，从而导致能够进行SMT加工的更小的封装和SMD形式。
用于此目的的最常见频率是32.758kHz时钟晶振，当频率除以215得到1Hz（赫兹）信号时，振荡器可以提供具有1秒周期时间的输出信号。
在30～200kHz范围内的频率用于其他应用。

2，石英晶体材料及工作原理

正如名字所说，石英晶体是由石英制成的。石英是一种天然材料，在地球上随处可见，主要是石英砂和形成晶体的岩石。如今，石英是在高压灭菌器中合成生长的，其纯度比天然石英高。对于使用的Y形音叉晶体，Y指的是生长该音叉晶振的石英晶格的轴。

石英之所以被使用，是因为它能将机械应力转化为电能，反之亦然。这种效应被称为压电效应。也有其他材料可以用作利用压电效应的振动器，如陶瓷，但在所有这些材料中，石英具有振动谐振器的最佳性能，并提供高Q因子。

根据原子空间晶格的取向及其取向，有不同类型的石英可供选择。这在名称上被区分为左手石英和右手石英，也被称为α和β修饰。两者可以同时存在于同一石英块或晶片中，并且两者将同时工作。然而，这不是所需的操作模式，需要避免。

3，石英晶体振动模式

石英中的压电效应可以在不同的振动模式中使用，这是基于这些振动板（称为晶体晶片或坯料）从原材料中切割出来的方式，即它们相对于原子晶格的取向。以下是介绍的最常见的振动模式。

对于音叉，石英晶振是使用的灵活模式。弯曲模式晶体单元主要工作在1MHz以下的低频范围内。由于这些晶体通常仅使用基本模式，泛音模式是可能的，但由于这些晶体在泛音模式下具有高电阻，因此不容易实现。

4，石英晶体切割

为了利用所需的振动模式并具有压电效应，石英晶体谐振器的晶体板需要切割成石英晶格外的某个角度。

多年来，为了正确定义这些削减，这些削减都使用了缩写词。对于音叉晶体，在弯曲模式下工作，使用所谓的Xcut、XY cut或NT cut。

它们之间的差异与最终晶体单元的性质和制造技术有关。最常见的是X-cut（也称为X+2-cut），它也用于圆柱形封装中的晶体。

5，音叉弯曲模式工作原理

音叉的名字来源于晶体板（称为晶体晶片或坯料）的设计，其形状与音叉相似。

其工作原理与音叉相同，音叉的两个尖端会以一定的频率振动。频率由尖端的质量和这与音叉尖端的机械尺寸有关，音叉尖端包括所有三个尺寸，即长度、宽度和高度。

6，音叉弯曲模式电极电镀

为了使音叉尖端的机械运动起作用，需要向音叉尖端施加电场。这是通过在石英表面镀上电极来实现的。对于这些电极，主要使用银，但也可以使用铝和金。

音叉X-cut晶体上的电极镀层需要镀在尖端的所有四个侧面上，并且两个尖端都需要具有相反的极性，以便尖端将以上一页所述的方式移动。

7，音叉水晶总成

所示为圆柱形封装类型的典型音叉晶体组件

8，音叉晶体电学参数

石英晶体的电参数取决于其基于所用石英切割的特性。主要参数可以通过从机械振动模型中提取的等效电路来解释。

机械振动模型及其等效电路

石英晶体单元的电等效电路由电容器C1、电感器L1和与并联电容C0并联的电阻器R1的串联支路组成。
下角显示了具有外部负载电容器CL的晶体单元的符号。

调谐叉晶体电参数（续）

下表列出了客户需要指定的典型音叉晶体单元的电气参数

调谐叉晶体电参数（续）

下表列出了客户需要指定的典型音叉晶体单元的电气参数。

可以指定附加参数，如运动电容C1、电容比C0/C1、Q因子和其他参数，但不必用于常见应用。所有这些参数也因频率和封装类型而异，请联系制造商了解更多详细信息。

该图表显示了音叉晶振单元的典型频率与温度的关系。
绿色曲线显示了曲率常数k=0.034ppm/°C2的理想晶体，其转折点正好在+25°C，并在室温下设置为中心频率（0ppm）。
灰色区域表示如果在室温下制造的晶体单元公差为±20ppm（红色虚线），其转折点范围为+25±5°C，曲率常数为0.034ppm/°C2，则晶体单元的范围

该图表显示了石英晶体单元的典型老化特性。衰老取决于各种因素，在这些因素的总和中，频率可以增加或减少。随着时间的推移，石英晶体会稳定下来，正如曲线所示，制造商在加工过程中进行预老化，以去除老化的第一个更渐进的部分。

影响行为的因素有：压力，杂质，温度，制造方面

9，音叉晶体振荡器电路

如今，振荡器电路通常集成到IC中，因此只需要外部的几个组件。
右侧的示意图显示了低频振荡器的典型电路。它包括：

集成放大器或门。
相移电阻器“Rd”，通常集成，32kHz的典型值为300kΩ.
此处显示的IC输入/输出电容“CXC_”是为了完整性，因为它们是电路总负载电容的一部分。
反馈电阻器“Rf”，由于其典型的10M的高值，通常是外部的?.
晶体单元“Y1”。
外部负载电容器“C1”和“C2”，其值取决于电路设计、板上的附加杂散电容和晶体。

10，音叉晶体规格