石英諧振器

利用電信號頻率等於石英晶片（或棒）固有頻率時晶片因壓電效應而產生諧振現象的原理製成的器件。它由石英晶片（或棒）、電極、支架和外殼等構成，在穩頻、選頻和精密計時等方面有突出的優點，是晶體振蕩器和窄帶濾波器等的關鍵元件。

1921年，人們發現石英晶片諧振特性具有穩頻作用，開創了石英諧振器在通信技術中的應用。第二次世界大戰期間，由於軍事通信的需要，壓電石英技術有很大發展。1940年前石英諧振器的頻率穩定度為 10-5，50年代達到10-8,70年代2.5兆赫和5兆赫的高精密石英諧振器經長期工作后的最佳水平可分別達到10-13 和10-12 。現代石英諧振器已能解決短期穩定度問題，秒級穩定度最佳水平已達10-13 ，毫秒級穩定度最佳水平已達10-12 。石英諧振器的頻率範圍1945年前為100千赫～10兆赫,1960年擴展為500赫～200兆赫,1977年高頻擴展到350兆赫。1980年後用離子束刻蝕出超薄晶片，使石英諧振器的基頻達1000兆赫。

切型 在晶體坐標系中，晶片沿某種方位的切割稱為切型。只有一定的切型才具有壓電效應、單一振動模式和零溫度係數，所以在設計諧振器時首先要選擇合適的切型。石英晶體的切型符號有兩種表示方法：一種是國際電工委員會規定的符號表示法，另一種是習慣符號表示法。前一種符號用一組字母xyzlwt和角度來表示；x、y、z中兩個字母的先後排列表示晶片的厚度和長度的原始方位，l(長度)、w(寬度)、t(厚度)表示旋轉軸；角度的正、負號表示逆、順時針旋轉。例如,(xytl5°/-50°切型，表示晶片原始方位的厚度位於x軸方向，長度位於y軸方向；晶片先繞厚度t沿逆時針方向旋轉5°，再繞長度l沿順時針方向旋轉50°。后一種習慣符號多數用兩個大寫拉丁字母表示，例如，AT、BT、NT、MT等；其中AT、BT為單轉角切型，NT、MT為雙轉角切型。兩種符號的對應關係見附表。

振動模式 按照不同的使用要求，石英諧振器的標稱頻率可以從幾百赫到幾百兆赫，這樣寬的頻率範圍只有採用不同的振動模式和不同的晶片尺寸來實現。常用的振動模式為長度伸縮振動、彎曲振動、面切變振動和厚度切變振動等四種模式。

頻率溫度特性 諧振頻率的溫度特性是石英諧振器的一項重要性能，常用頻率溫度係數Tf來表示：

式中T0為參考點溫度，a0、b0和 c0為與T0有關的係數，f0為T=T0時的頻率。Tf的數值越小表示溫度穩定性越好。當T=T0時，即得Tf=a0。這表明，在a0=0的條件下，溫度穩定性最好。a0=0時的切角稱為零溫度係數切角。石英晶體有很多零溫度係數切角，這使石英諧振器成為一種重要的壓電器件。圖中為石英諧振器常用切型的頻率溫度係數曲線。其中多數切型的特性曲線為拋物線型，拋物線的頂點就是該切型的零溫度係數點。少數切型如AT、GT的特性曲線為三次曲線型，適於寬溫度範圍使用。

提高石英諧振器的頻率穩定度的重要途徑是減小環境溫度對頻率的影響。通常有兩種方法。①恆溫槽法：將諧振器放入恆溫槽中，只要恆溫槽的溫度與零溫度係數點的溫度(T0)一致，頻率隨溫度的變化將接近於零。②溫度補償法：將環境溫度所引起的頻率變化，通過熱敏網路加以補嘗。后一方法的優點是體積小、消耗功率小，且開機即能工作。缺點是頻率穩定性低於前一方法。

參考書目

山東大學物理系、北川無線電器材廠編著：《石英諧振器的設計和製造》，國防工業出版社，北京，1979。