石英晶体的前世今生

浏览量: 上传更新:2019-12-15 11:06

石英振动器采用一种压电材料振动晶体的机械共振方式,建立一个有精密频率的电信号。该频率一般用于跟踪时间,如石英手表中的频率;为数字集成电路提供稳定的时钟信号;以及稳定射频发射机与接收机的频率。自上世纪20年代起,工程师们就开始将这些晶体用于建立射频频率,当时贝尔电话实验室的AMNicholson和Wesleyan大学的WGCady教授一起研究酒石酸钾晶体,他们发现了一个驱动电路中石英晶片的谐振反应(参考文献1)。不过在二战以前,研究人员还没有研究出大批量制作的方法(参考文献2)。如果在一块石英晶体上以相对晶格点阵正确的视点切开出振动器元件,则可以消除温度的效应。有些切开晶体具有零温度系数,而LC切开则用于温度计(图2)。

 

 因为你是从一种矿物得到石英晶体,不要假定一个石英振动器是低技术性器材(参考文献3)。今天石英晶体的制作商都采用大型反应炉(或高压釜)作石英晶体的成长,运用高温文30000psi(磅每平方英寸)以上的高压(参考文献4和图3)。石英晶体在一个高压釜中的成长要花数月时间,任何地震活动或加热器供电上最微小的降级或损失都会毁掉整个批次。一家日本公司NDK已有几十年制作石英晶体的历史,现在伊利诺伊州的Belvidere拥有高压釜。基于上述原因,该公司决定在中西部开设新工厂,因为那里电网的可靠性很高,并且地震发生率很低。

 

该公司业务与应用发展总经理CraigTaylor称:“我们将石英矿置入一个大型容器内,该容器采用了军舰主炮的技术。然后,我们将种子石英放在石英矿上方的筐内。参加(碳酸钠或氢氧化钠)电极并施以高温高压,所有的天然石英就都分解并向上迁移。它自己会附着于种子石英上,而各种脏物与杂质则留在容器的底部。”

 


 参加放大与缓冲就使一只晶体成为一个XO(晶体振动器)。增加温度补偿电路就得到一个精度为1ppm(百万分之一)的TCXO(温控晶体振动器),将整个振动器置入一个控温的封装中,就得到一个OCXO(恒温晶体振动器),精度可达十亿分之一区间。一个有1ppm精度的30MHz振动器,随时间与温度变化的误差只有30Hz。只有铷和铯原子钟才更精准,主要原因是原子振动源与温度无关。有些公司还提供PXCO(可编程晶体振动器),你可以写入芯片中的数字寄存器,调整频率