國(guó)外進(jìn)口的石英晶振在我國(guó)一直以來(lái)都非常受歡迎，尤其是日本，美國(guó)和臺(tái)灣等地生產(chǎn)的諧振器和石英晶體振蕩器比較熱銷，不少用戶都是指定這三個(gè)地區(qū)的某個(gè)品牌的晶體，振蕩器。目前熱門的美國(guó)晶振品牌有Abracon晶振、ECS晶振、CTS晶振、STM晶振等，而且美國(guó)也是全球第一個(gè)開(kāi)始研發(fā)晶體并加以利用，最終成為各類產(chǎn)品重要的電子元器件。制造一顆晶體并是一件容易的事，生產(chǎn)流程和加工工藝有很多種，接下來(lái)的內(nèi)容就是部分關(guān)于石英晶體和有源晶體振蕩器系列一些制造技術(shù)。
石英晶體在幾種同時(shí)諧振模式下自然振動(dòng)，這些諧振模式稱為基波或泛音模式。通常，這些模式中的一個(gè)被設(shè)計(jì)成在期望的工作頻率下占主導(dǎo)地位。振動(dòng)的基本頻率是諧振器物理尺寸和切割角度的函數(shù)。泛音模式在基本模式的奇數(shù)諧波，并包括3次，5次，7次，9次，11次。濾波器中可獲得的最大帶寬和振蕩器中的大調(diào)諧范圍與電容比成反比，r=Co/C1，r隨著泛音的平方增加。因此，使用基模諧振器可以獲得比具有第三或更高泛音的更寬帶寬或更大的調(diào)諧范圍。基本模式諧振器用于大多數(shù)濾波器，溫度補(bǔ)償振蕩器（TCXO）和壓控振蕩器（VCXO），其中所需的帶寬或調(diào)諧范圍使得泛音設(shè)備不合需要?；驹硪灿糜谠S多簡(jiǎn)單的振蕩器，例如頻率高達(dá)約35MHz的時(shí)鐘振蕩器。在較高頻率下，泛音對(duì)于該應(yīng)用來(lái)說(shuō)更經(jīng)濟(jì)。
目前的石英晶振制造工藝限制了石英板的研磨，使得可靠地實(shí)現(xiàn)的最高基模頻率通常約為45MHz。在該頻率下，AT切割石英板的厚度小于0.037mm，并且使用常規(guī)技術(shù)進(jìn)一步研磨是不實(shí)際的。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了幾種方法來(lái)通過(guò)從板的中心去除一些石英質(zhì)量來(lái)增加可實(shí)現(xiàn)的基本模式頻率。這種所謂的“倒置臺(tái)面”提供了更薄的有源區(qū)域，并且通常通過(guò)化學(xué)或等離子體/離子蝕刻來(lái)實(shí)現(xiàn)。這些工藝可以產(chǎn)生高質(zhì)量的高頻基波（HFF）模式晶體，達(dá)到170MHz甚至更高。基本模式晶體通常具有比相同頻率的泛音模式晶體更大的C1值;因此，它們對(duì)于需要更高可牽引性的VCXO晶振等應(yīng)用非常有用。高頻基本石英空白也廣泛用于濾波器應(yīng)用，其中它們提供比相同頻率的泛音晶體更好的寄生模式響應(yīng)。
在給定的工作頻率下，石英晶體老化和Q隨著更高的泛音而改善。出于這個(gè)原因，烤箱振蕩器（OCXO）經(jīng)常使用泛音諧振器。通常使用第3或第5泛音。適應(yīng)諧振器頻率容差和老化特性所需的調(diào)諧范圍限制了最大有用泛音。
虛假模式
非基波或泛音模式的振動(dòng)被稱為雜散或不需要的模式。可以調(diào)整晶片的設(shè)計(jì)，電極圖案和金屬化量以抑制這些不需要的模式。

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如果響應(yīng)與主模式一樣強(qiáng)，則假模式可能成為問(wèn)題。當(dāng)發(fā)生這種情況時(shí)，石英晶體振蕩器可以在支線而不是主模式上運(yùn)行。這稱為模式跳躍。雜散模式應(yīng)指定為主模式的電阻比或dB抑制。通常，電阻比為1.5或2.0比1，大約等于-3dB至-6dB，足以避免大多數(shù)振蕩器的模式跳變。
晶體的基本模式可以實(shí)現(xiàn)最佳的雜散抑制，而泛音響應(yīng)更難以控制。出于可推動(dòng)性原因需要更高C1體積的設(shè)計(jì)也可以犧牲雜散模式抑制。對(duì)于晶體濾波器應(yīng)用，采用低C1設(shè)計(jì)的基?？梢詫?shí)現(xiàn)低至-40dB的雜散模式抑制。
寄生模式在主模式之上發(fā)生在幾百千赫茲之內(nèi)。響應(yīng)可能如上圖所示。在振蕩器應(yīng)用中，振蕩器通常選擇最強(qiáng)模式。一些不需要的模式可能具有陡峭的頻率與溫度特性。有時(shí)，隨著溫度的變化，在某個(gè)溫度下，不需要的模式的頻率與石英晶體振蕩器頻率一致，這導(dǎo)致所謂的“活動(dòng)下降”。在活動(dòng)下降時(shí)，不需要的模式的激勵(lì)導(dǎo)致諧振器中的額外能量耗散，這導(dǎo)致Q的減小，等效串聯(lián)電阻的增加以及振蕩器的頻率的變化。當(dāng)電阻增加足夠大時(shí)，振蕩可能停止，即振蕩器失效。當(dāng)溫度遠(yuǎn)離活動(dòng)傾角溫度時(shí)，振蕩可以重新開(kāi)始。可以通過(guò)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和制造方法來(lái)控制不需要的模式。保持電極和諧振器板尺寸之間的正確關(guān)系（即，應(yīng)用能量捕獲規(guī)則），以及保持諧振器板的主面之間的平行度，可以使不需要的模式最小化。
頻率-溫度特性
頻率-溫度特性定義了石英晶體諧振器的諧振頻率如何隨溫度變化而變化。對(duì)于AT和SC切割諧振器，發(fā)現(xiàn)由于溫度變化引起的頻移可以用以下形式的三次曲線表示：
Df/f0=a0（T-T0）+b0（T-T0）2+c0（T-T0）3
T是溫度變量，T0是拐點(diǎn)溫度，AT切割約為25°C，SC切割約為92°C。系數(shù)a0，b0和c0是頻率的第一，第二和第三階溫度系數(shù)，它們是取決于石英特性和切割角度的常數(shù)。上面的等式給出了如下所示的一系列曲線，用于相對(duì)切割角的四個(gè)值。這些曲線表明諧振器可以設(shè)計(jì)成在寬溫度范圍內(nèi)提供相對(duì)小的頻率變化。

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AT切割頻率與溫度曲線

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SC切割頻率與溫度曲線
兩種切割都適用于溫度控制（烘箱）應(yīng)用。此外，由于AT切割拐點(diǎn)溫度（To）約為25°C，因此廣泛用于不受控制的溫度應(yīng)用，如濾波器和非恒溫晶振。兩個(gè)切口振動(dòng)厚度模式，可以被設(shè)計(jì)為具有非常低的安裝損失，并因此提供了卓越的Q（高達(dá)1.5×106在10MHz，并在300MHz的35×103）和隨時(shí)間的穩(wěn)定性（實(shí)施例1×10-10/天，10MHz）。
老化和漂移
根據(jù)CCIR（國(guó)際電臺(tái)咨詢委員會(huì)）建議的術(shù)語(yǔ)和定義，可以通過(guò)以下方式確定老化和漂移。衰老是由于振蕩器內(nèi)部變化引起的頻率隨時(shí)間的系統(tǒng)變化，即當(dāng)振蕩器外部因素（環(huán)境，電源等）保持恒定時(shí)頻率隨時(shí)間的變化。漂移定義為振蕩器頻率隨時(shí)間的系統(tǒng)變化，即漂移歸因于多種因素的組合，即由于老化加上環(huán)境的變化以及振蕩器外部的其他因素。衰老是指定的，以及在振蕩器評(píng)估期間測(cè)量的內(nèi)容。漂移是人們?cè)趹?yīng)用程序中觀察到的。例如，
衰老涉及許多相互關(guān)聯(lián)的因素。一些最常見(jiàn)的是：內(nèi)部污染，晶體表面變化，導(dǎo)線疲勞，晶格中的小的不可逆變化，材料的放氣，各種熱效應(yīng)，安裝應(yīng)力和過(guò)度驅(qū)動(dòng)晶體。典型的老化數(shù)字為10~20MHz的是1.0的頻率范圍內(nèi)工作的金屬外殼晶體單元-5.0PPM/1日年;而玻璃外殼晶體的值為0.1-1.0ppm/1styesr。
AT切割與SC切割
在許多可用的晶體切割類型中，大多數(shù)應(yīng)用使用AT切割或SC切割石英晶體諧振器，并且在許多情況下，兩種切割都是候選。值得根據(jù)八個(gè)特征進(jìn)行比較：
周轉(zhuǎn)溫度：
對(duì)于OCXO應(yīng)用，晶體可以在其兩個(gè)轉(zhuǎn)換溫度中的任一個(gè)下操作。SC切割在兩個(gè)重要方面優(yōu)于AT切割。首先，SC切割的f-T曲線在轉(zhuǎn)換溫度附近比由三個(gè)溫度系數(shù)確定的AT切割更平坦。其次，真正的SC切割對(duì)溫度梯度的敏感性要小得多，從而可以更快地進(jìn)行預(yù)熱。這些特性使其成為精密振蕩器應(yīng)用的首選。
靜態(tài)f-T特性：
AT和SC切割諧振器都具有靜態(tài)頻率-溫度特性，其由溫度的三階多項(xiàng)式很好地描述。對(duì)于AT切割，曲率改變符號(hào)的拐點(diǎn)溫度在室溫的幾度內(nèi)。換句話說(shuō)，f-T曲線在接近25°C的溫度下近似反對(duì)稱。這使得AT切割適用于非溫控應(yīng)用，例如簡(jiǎn)單的振蕩器和溫補(bǔ)振蕩器。相比之下，SC切割諧振器的拐點(diǎn)溫度為92°C。大多數(shù)SC切割用于OCXO，其中較高的拐點(diǎn)溫度產(chǎn)生重要的優(yōu)點(diǎn)，即，在爐子設(shè)定點(diǎn)附近fT曲線非常平坦，其被調(diào)節(jié)到諧振器上部或下部的周轉(zhuǎn)溫度。所以，溫度控制不如使用AT切割晶體那么重要。SC-cut的f-T特性的其他優(yōu)點(diǎn)是它與活動(dòng)傾角的相對(duì)自由度。
動(dòng)態(tài)fT特性（熱瞬態(tài)效應(yīng)）：
當(dāng)對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行階躍變化時(shí)，SC切割諧振器的頻率以對(duì)應(yīng)于臨界阻尼系統(tǒng)的方式平滑地改變，而沒(méi)有過(guò)沖或振鈴。另一方面，AT切割動(dòng)態(tài)f-T特性具有非常明顯的過(guò)沖和橡皮筋效應(yīng)。為OCXO選擇SC切割的一個(gè)重要原因是它大大改善了動(dòng)態(tài)，事實(shí)上，這是正確設(shè)計(jì)的基于SC切割的OCXO的標(biāo)志。
老化：
如果我們比較相等的頻率和泛音，由于其略微更大的厚度，SC切割略好于AT切割。然而，這種差異通常是微不足道的。由于SC的較大電流處理能力使其頻率對(duì)電流變化不太敏感，因此在OSC晶振中SC切割可能表現(xiàn)出更好的老化。
當(dāng)前處理：
這指的是在沒(méi)有顯著（可逆）頻率變化的情況下可以操作諧振器的最大電流。通常，這對(duì)于SC切割而言明顯高于AT切割諧振器。振蕩器應(yīng)用的后果是通過(guò)操作更高的電流來(lái)改善相位本底噪聲，并降低對(duì)驅(qū)動(dòng)電平變化的靈敏度，這可能影響振蕩器頻率的老化。
阻抗等級(jí)：
如果我們比較具有相同頻率和諧波的AT切割和SC切割諧振器，SC切割諧振器的運(yùn)動(dòng)電感（L1）和動(dòng)態(tài)電阻（R）將顯著高于AT切割諧振器，而運(yùn)動(dòng)電容（C1）將以相同的比例降低。靜電容（C0但是，對(duì)于這兩者來(lái)說(shuō)幾乎是一樣的。對(duì)于振蕩器應(yīng)用，如果老化很重要，則需要高阻抗，因?yàn)樗档土司S持電路對(duì)振蕩器頻率的影響。權(quán)衡是高諧振器阻抗降低了振蕩器頻率的調(diào)諧范圍，限制了制造公差和老化的校正。在VCXO中，老化最多是次要考慮因素，因此所需的調(diào)諧范圍將決定最高的實(shí)際泛音。對(duì)于任一切割，阻抗水平大致上升為給定頻率的泛音的平方，但也取決于諧振器設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)。
尺寸：
對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，AT切割和SC切割諧振器封裝的尺寸相同。
成本：
由于更緊密的定向公差，SC切割的石英晶振制造成本比AT切割更昂貴，但對(duì)于高性能應(yīng)用而言，這種成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了烤箱復(fù)雜性的節(jié)省，并且對(duì)于許多應(yīng)用而言，SC切割是唯一的選擇。對(duì)于熱瞬態(tài)特性不太重要的一些應(yīng)用，可以使用修改的（近）SC切割。這提供了與真正的SC切割基本相同的f-T曲線，但允許更寬松的定向公差，從而以犧牲熱瞬態(tài)性能為代價(jià)提供一些成本節(jié)省。通常，從92°C大幅度去除To的切口將不能提供注意到真正SC切割的熱瞬態(tài)性能。
石英轉(zhuǎn)向民謠諧振器/觀看水晶
用于手表的石英諧振器的要求是：體積小，功耗低（包括振蕩器），成本低，穩(wěn)定性高（溫度，老化，沖擊，姿態(tài)）。32.768kHz石英轉(zhuǎn)叉式諧振器可滿足這些要求。有趣的是，知道32768=215或1Hz=32768/215。在模擬手表，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)每秒接收一個(gè)脈沖，其通過(guò)6前進(jìn)第二銷，即1/60個(gè)圓每秒的。32.768kHz是尺寸，功率要求（即電池壽命）和穩(wěn)定性之間的折衷。
石英腕表通常在按照預(yù)期佩戴時(shí)足夠精確，即在手腕上運(yùn)動(dòng)約16小時(shí)，并且每天從手腕上運(yùn)動(dòng)約8小時(shí)。當(dāng)手表長(zhǎng)時(shí)間離開(kāi)手腕時(shí)，晶振精度會(huì)降低。存儲(chǔ)溫度越遠(yuǎn)離最佳溫度，手表?yè)p失的時(shí)間越快。在極端溫度下，例如在-55°C的冰箱中，或在沸水溫度下，手表每天損失約20秒。
手表中使用的諧振器的切割角度使得零溫度系數(shù)在~25°C，如下面的f-T曲線所示?；谑直碓谑滞笊虾褪滞笊蠒r(shí)的典型持續(xù)時(shí)間和溫度，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)這提供了最高的準(zhǔn)確概率。
石英晶體諧振器的密封類型
焊錫密封
焊料密封包具有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。它們具有比其他類型更低的引線到電容電容，因此在一些需要最小結(jié)電容的濾波器設(shè)計(jì)中使用。此外，可以打開(kāi)包裝進(jìn)行返工，這有時(shí)有助于滿足困難的過(guò)濾器要求。它們的主要缺點(diǎn)是它們?cè)诓灰胛廴镜那闆r下不能被密封，因此它們往往具有相對(duì)差的頻率穩(wěn)定性。
電阻焊接
這些封裝需要比焊接密封更復(fù)雜的密封設(shè)備，但密封過(guò)程引入的污染更少，從而提高了頻率穩(wěn)定性。電阻焊接包具有多種類型，并且都是長(zhǎng)期性能的經(jīng)濟(jì)選擇
SeamWeld
縫焊密封是目前生產(chǎn)陶瓷基座/金屬蓋薄型SMD晶體和振蕩器的最廣泛使用的方法。性能和成本與那些電阻焊接封裝類似。
環(huán)氧密封
環(huán)氧密封封裝廣泛用于大批量和低成本的貼片晶體。頻率穩(wěn)定性能不如縫焊和電阻焊部件好。
冷焊
冷焊密封是一種精密的性能封裝，價(jià)格稍貴，但密封工藝幾乎不會(huì)產(chǎn)生污染，從而產(chǎn)生出色的諧振器頻率穩(wěn)定性和電氣性能。
全石英套餐
全石英封裝技術(shù)用于制造具有非常薄的外形和非常高的抗沖擊性的表面安裝諧振器。這種密封包裝的可用性相當(dāng)有限。
基本模式“AT切”晶體的詳細(xì)頻率溫度曲線