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石英晶體切割常用的幾種切割工藝

發布時間: 2021/1/18 16:28:42 | 128 次閱讀

所謂晶體切型,就是對晶體坐標軸某種取向的切割。石英晶片的切型有很多種,不同的切型其物理性質不同,切面的方向與主軸的夾角對其性能有重要影響,比如:頻率穩定性,活性水平,Q值,溫度系數等。

水晶振動子的各種切斷角度

在為射頻電路設計或其他應用定義特定晶體的規格時,通常需要定義切割的石英晶體。出現包括AT-cut,CT-cut和SC-cut在內的術語,選擇正確的切割可能會對性能產生重大影響。


水晶切割基本知識

石英晶體結構復雜,但所有晶體都相同。相對于空白晶體的x,y和z軸,有無數種切割方法。

天然石英晶體
石英晶體像其他壓電材料一樣是各向異性的。這意味著它的許多特性(包括機械,電和光學特性)都取決于主軸。
因此,將石英坯料從主軸晶體切割的方式的角度限定了zui終石英晶體諧振器的許多特性。主模式的彎曲模式,溫度系數,老化特性,頻率穩定性,Q值等。

所謂的各種“切割”具有不同的名稱,其中一些在某些應用程序中很流行,另一些在其他應用程序中則廣泛使用。隨著幾年來新措施的出臺,一些削減措施也被淘汰了。

石英晶體的結構顯示出不同的軸和面
一些基本切割包括沿軸的切割。然后根據切口垂直的平面標記切口。

這些削減如今已很少使用,因為發現其他削減可為現代應用程序提供更好的性能水平。

X,Y和Z晶體切割

在用于當今的RF和時鐘應用的削減中,AT,BT和SC削減是zui重要的。


石英晶體切割的發展
石英晶體在1920年代和1930年代初期被廣泛用于發射器。與使用LC振蕩器相比,它們在穩定性上有顯著改善。即使優化了LC振蕩器的穩定性,石英晶體也明顯更好。
在1920年代后期,美國,德國和日本的許多小組發現,在早期使用廣泛的Y切溫度系數可以顯著提高,甚至在某個溫度下甚至可以變為零。
為了開發這些電子組件,我們進行了大量研究,鑒于與我們今天擁有的功能相比,其功能有限,因此需要花費一些時間來開發它們。
1934年,在貝爾實驗室工作的拉克和威拉德開發了AT切割晶體,并在1934年7月的《貝爾實驗室雜志》上發表了一篇論文:“石英晶體電路元件的soem改進”。
他們的另一項發展是BT切割晶體,它也具有許多良好的性能,但并未得到廣泛使用。
迄今為止,AT切割石英晶體是使用zui廣泛的類型,盡管SC切割石英晶體是在1970年代開始出現的,用于晶體烤箱等。它是1974年由Holland博士首先提出的。1975年,美國陸軍信號兵團的E.EerNisse發表論文預測,諧振器的φ= 22.5°和θ=-34.3°坐標將產生頻率變化較低的諧振器機械應力,這就產生了應力補償的名稱SC。
主要晶體切割工藝
可以定義無限多個晶體切割。但是,其中一些定義了特別有用的屬性,并且為這些切割指定了特定的名稱。
AT切割:石英晶體的AT切割通常用于0.5到300MHz之間的頻率,并且具有振動的厚度切割模式。
它是使用zui廣泛的切割,特別適用于要求振蕩器在500KHz至300MHz范圍內運行的電子儀器等,盡管隨著技術的發展,上限不斷提高。
BT割切:這是另一種類似于AT的切割,它會以厚度切割模式振動,通常用于0.5到200MHz的頻率。
它使用不同的角度:與z軸成49°。它具有可重復的特性,頻率常數為2.536 MHz/mm。然而,溫度穩定性特性不如AT切割,但由于其較高的頻率常數,它可以更輕松地用于更高頻率的操作。
GT切割:用于石英晶體的GT切割通常用于大約0.1到2.5MHz的頻率,并且使用振動的寬度擴展模式。
它以51°7'的角度切割,由于溫度系數不同的兩種振動模式相互抵消,因此溫度系數在+25到+ 75°C之間幾乎為零。
IT切割: 此切割使用厚度切割模式,并且用于大約0.5到200MHz之間的頻率。
這種晶體切割與SC非常相似。但是,對于需要在80-90°C的溫度范圍內工作的水晶烤箱,該選項可以克服在這些溫度下使用SC的困難。IT切口的zui高轉折點在85至105°C之間,但與SC的機械應力敏感性不同。
SC切割: 此晶體切割用于大約0.5到3200MHz之間的頻率。
這種切割是在1970年代后期開發的,特別是用于精密晶體烤箱,但是它確實需要更復雜的制造過程,因為隨后需要進行雙角度旋轉并同時進行精密研磨。
XY切割: 此切割本質上是一種晶體切割格式,用于低頻應用,其頻率通常在5至100KHz之間。它使用長寬彎曲模式。
該晶體切割廣泛用于一個公共頻率為32.768 KHz的低頻。它的優點是頻率非常小,比其他低頻晶體類型便宜,此外它具有低阻抗和低C0/C1比。
AT石英晶體切割

AT-cut是使用zui廣泛的切割方式,尤其是用于電子儀器,無線電系統,微處理器時鐘和其他許多需要振蕩器在MHz范圍內運行的應用中。隨著技術的發展,上限越來越高。但是,zui高頻率通常以泛音模式運行,因為晶體在高頻下會變得非常薄。

石英晶體AT切割-與Z軸成35°35'
如圖所示,該石英晶體與Z軸的夾角為35°25'。沿與晶軸的方向切割晶體毛坯,然后將毛坯加工并精加工成所需的尺寸。

這種石英切割的優點之一是溫度系數。在26°C時該值變為零,甚至其任一側也相對平坦,尤其是與其他切口相比時。

AT隨溫度降低晶體溫度系數
從該值稍微改變切割角度會稍微改變屬性,盡管對于大多數應用而言,通常會使用AT切割的確切參數。
BT石英晶體切割
BT晶體切割與AT切割晶體幾乎同時引入。它比等效的AT切割晶體厚約50%,并且仍使用厚度切割模式。
但是越厚,則在更高的頻率下晶體越厚,因此越堅固可以預期,隨著頻率的增加,晶體變得更薄。
但是,它的缺點是它的溫度特性比AT切割的石英晶體差,這是由較高的頻率常數造成的。即便如此,BT切割晶體仍用于更高頻率的應用,尤其是在需要以基頻工作而不是泛音工作的情況下。
SC石英晶體切割
用于描述這種類型的石英晶體切割的SC代表“應力補償”。它是專門為在某些關鍵要求是對熱應力和機械應力不敏感的精密晶體烤箱中使用而開發的。
另一個重要因素是SC切割晶體具有良好的相位噪聲和老化特性?鞠淇刂频木w振蕩器OCXO通常需要的特性。
該切削對基準軸進行兩次旋轉:35°15'和21°54'。它不僅具有出色的老化和穩定性能,還具有出色的相位噪聲性能,但它具有更高的ESR,并且也更容易受到諧振的影響。
SC切割的困難之一是在制造過程中造成困難,因為在SC切割中使用復合角度的要求增加了測量角度的成本,然后在隨后的研磨和拋光過程中對其進行維護。SC切割的公差很小。它們通常要求的公差為±10PPM,而AT切割的公差為±30PPM。
許多使用多年的設備已經不使用了,因為它們已經被高gao級切割技術所取代,而這些gao級切割技術現在可以通過更先進的制造技術獲得。

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