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首頁(yè)貼片晶振 X和Z延伸矩形在各種小型貼片晶振中的含義

X和Z延伸矩形在各種小型貼片晶振中的含義

來源:http://m.wyss.net.cn 作者:金洛鑫電子 2019年04月26
   X和Z在我們眼里可能就只是普通的英文字母,但在貼片晶振產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域卻有著,非同凡響的含義和特性,因?yàn)閄和Z是石英晶體的兩條延伸矩形。早期研發(fā)晶體X和Z延伸矩形的廠家并不多,臺(tái)灣晶技公司是其中一家,這個(gè)發(fā)現(xiàn)奠定了后期AT切割晶振的發(fā)展和使用,以及小型化SMD晶振生產(chǎn)的方向。
   在這項(xiàng)研究中,TXC晶振公司提出了不同尺寸的X和Z'拉長(zhǎng)矩形AT切石英板的斜切工藝,等效串聯(lián)電阻(ESR),溫度曲線,溫度滯后和抗沖擊性能的不同特性。結(jié)果表明,安裝在兩個(gè)寬度側(cè)的Z'細(xì)長(zhǎng)石英帶具有更好的溫度滯后和抗沖擊性能。對(duì)于模式耦合,斜切工藝和溫度曲線,X和Z'拉長(zhǎng)的矩形AT切割石英板具有各自的特性。
   矩形AT切割石英諧振器最初是在70年代早期開發(fā)的,因?yàn)樗鼈凅w積小,易于制造。對(duì)矩形板的不同縱橫比的共振特性進(jìn)行了許多研究。根據(jù)研究,可以推斷出以下內(nèi)容。當(dāng)矩形板的長(zhǎng)度沿X方向并且寬厚比?。碊T切割)時(shí),厚度剪切(TS)模式和面剪切模式之間的耦合很強(qiáng)[1][2]。另一方面,當(dāng)矩形板的長(zhǎng)度沿Z'方向并且板安裝在兩個(gè)寬度側(cè)上時(shí),TS模式與彎曲模式[3][4]更強(qiáng)地耦合。雖然這些研究為設(shè)計(jì)人員提供了有價(jià)值的信息,但它們被認(rèn)為是過時(shí)的,因?yàn)榻裉斓?a href="http://m.wyss.net.cn/Crystal/" target="_blank">石英晶體諧振器的尺寸要小得多。例如,現(xiàn)在典型的3225(3.2mm×2.5mm)9.8MHz封裝的石英晶體仍具有約0.17mm的坯料厚度,但坯料尺寸僅為2.1mm×1.5mm。長(zhǎng)度與厚度和寬度與厚度之比都很小。較早的設(shè)計(jì)規(guī)則可能不再適用于較大的空白。
矩形切割石英晶體板的定向:
   由于TS模式的立方頻率-溫度曲線,AT切割石英晶體具有高溫度穩(wěn)定性,廣泛應(yīng)用于晶體諧振器應(yīng)用中。
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圖1.石英條的全局坐標(biāo)和本地AT切割板坐標(biāo)
   如圖1所示,虛擬切片(板)最初相對(duì)于全局晶軸+X,Y和Z對(duì)齊,并且該板被定義為具有Y方向的法線。然后,對(duì)于AT切割,板繞+X軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)約35°15',Y軸和Z軸隨著Y'和Z'軸一起移動(dòng),Y'是新的法線方向。為了小型化,石英晶振的封裝類型從DIP(雙平面內(nèi))改變?yōu)镾MD(表面貼裝器件),并且石英晶體芯片從圓形變?yōu)闂l形。不同的長(zhǎng)寬比,即圖2中所示的X和Z'細(xì)長(zhǎng),導(dǎo)致不同的模耦合,能量俘獲和應(yīng)力-頻率特性。
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圖2.(a)X-拉長(zhǎng)和(b)Z-拉長(zhǎng)矩形AT切石英板
X和Z'延長(zhǎng)的矩形切割石英芯片的特性:
   在本節(jié)中,介紹了X和Z'延長(zhǎng)矩形AT切石英板的斜切頻率偏移,ESR,頻率-溫度曲線,溫度滯后和抗沖擊性。
斜角頻移:
   斜切是一種使石英帶的中心區(qū)域更厚的形狀以捕獲振動(dòng)能量并最小化安裝損耗的過程。隨著斜切過程的進(jìn)行,晶體板的邊緣變薄,并且TS模式頻率變得越來越高。然而,由于斜切而導(dǎo)致的TS模式頻率增加率對(duì)于X和Z'細(xì)長(zhǎng)板是不同的,因?yàn)閱尉⑹歉飨虍愋圆牧喜⑶覄偠瘸?shù)在X和Z'方向上是不同的。
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圖3.(a)X-細(xì)長(zhǎng)和(b)Z'細(xì)長(zhǎng)輪廓矩形AT切石英晶體板
   圖4顯示了12MHz壓電晶體示例。斜切前這兩塊石英晶片的厚度均為0.173mm,但尺寸為1.803mm(X)×1.230mm(Z')(X-拉長(zhǎng))和1.230mm(X)×1.803mm(Z')(Z'-拉長(zhǎng))。在這種情況下,Z'拉長(zhǎng)的一個(gè)在斜切過程中具有更快的TS模式頻率增加率。
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圖4.斜切過程中X和Z'拉長(zhǎng)晶體板的TS模式頻率增加率
頻率-溫度曲線:
   AT和DT切割都是在同一晶面中的剪切模式,如圖5所示,但主要區(qū)別在于頻率-溫度特性。AT切割板的法線為Y'軸,運(yùn)動(dòng)為厚度剪切;但是,DT切割板的法線是Z'軸,運(yùn)動(dòng)是面剪切。由于晶體板的Z'尺寸的變化,AT切割TS模式將周期性地與DT切割面剪切模式耦合,并且將影響頻率-溫度。
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圖5.AT切割TS模式和DT切割面剪切模式的圖示
   圖6顯示了具有相同厚度和切割角但不同長(zhǎng)寬比的兩個(gè)晶振組的頻率-溫度曲線。兩組的厚度和切角分別為0.045mm和35.23°。但晶體板尺寸為3.5mm(X)×1.785mm(Z')(X-拉長(zhǎng))和1.785mm(X)×3.5mm(Z')(Z'拉長(zhǎng))。這兩組具有不同的溫度曲線,甚至切角也是相同的。
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圖6.具有相同切割角但不同長(zhǎng)寬比的兩個(gè)諧振器組的溫度曲線
等效串聯(lián)電阻:
   在最后一節(jié)之后,圖7顯示了3.2節(jié)中兩組的ESR(25℃)。Z'和X伸長(zhǎng)組的電極面積為1.42mm×0.72mm;然而,Z'細(xì)長(zhǎng)諧振器的ESR遠(yuǎn)小于X細(xì)長(zhǎng)諧振器的ESR。ESR差異的主要原因是AT和DT切割模式耦合以及沿X和Z'軸的X方向位移場(chǎng)的不同分布。
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圖7.具有相同電極面積的Z'和X細(xì)長(zhǎng)諧振器組的ESR
溫度滯后:
   由于晶體諧振器經(jīng)歷了一個(gè)熱循環(huán),從室溫(25℃)到高溫(如120℃),再到低溫(如-40℃),再回到室溫(25℃),頻率在25℃時(shí)可能會(huì)發(fā)生變化。由于熱循環(huán)引起的頻移是溫度滯后。在僅延伸安裝在兩個(gè)寬度側(cè)角上的X形細(xì)長(zhǎng)晶體板中并不明顯;然而,溫度滯后是非常嚴(yán)重的,因?yàn)榫w板的四個(gè)角通過安裝膠固定,如圖8所示。
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圖8.(a)兩個(gè)角安裝X-細(xì)長(zhǎng)晶體板
(b)四角安裝X-拉長(zhǎng)的晶體板
(c)四角安裝Z'細(xì)長(zhǎng)晶體板
   圖9顯示了兩個(gè)諧振器組的溫度滯后,它們都是0.051mm厚和四個(gè)角安裝。電極面積均為1.8mm×1.2mm,但SMD晶振尺寸為4.4mm(X)×1.55mm(Z')(X-拉長(zhǎng))和1.55mm(X)×4.4mm(Z')(Z'拉長(zhǎng))。它表明Z'拉長(zhǎng)晶體帶的頻率穩(wěn)定性優(yōu)于經(jīng)過熱循環(huán)的X伸長(zhǎng)晶體帶的頻率穩(wěn)定性。
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圖9.Z'和X細(xì)長(zhǎng)諧振器組的溫度滯后
抗沖擊性:
   跌落試驗(yàn)是評(píng)估諧振器抗沖擊能力的一種方法。本研究中下降的條件是自由下落,150cm高度,在混凝土地面上,和5次。在測(cè)試之前和之后測(cè)量頻率和ESR;這兩種性質(zhì)的轉(zhuǎn)變是抗沖擊性的指標(biāo)。圖10和11是由于跌落測(cè)試引起的Z'和X細(xì)長(zhǎng)諧振器的頻率和ESR偏移。這兩組都是0.116mm厚,四角安裝,但有3.5mm(X)×1.82mm(Z')(X-細(xì)長(zhǎng))和1.82mm(X)×3.5mm(Z')(Z'-細(xì)長(zhǎng)的尺寸。這兩個(gè)圖表明Z'細(xì)長(zhǎng)貼片石英晶振的頻率和ESR偏移很小;這意味著Z'細(xì)長(zhǎng)板具有更好的抗沖擊性,因?yàn)轳詈系膿锨駝?dòng)沿X方向傳播,力-頻率系數(shù)在X和Z'方向上不相等[5]。
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圖10.由于跌落測(cè)試導(dǎo)致的Z'和X-長(zhǎng)度諧振器組的頻移
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圖11.由于跌落測(cè)試導(dǎo)致的Z'和X-長(zhǎng)度諧振器組的ESR偏移
   在本文中,進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)來研究X和Z'細(xì)長(zhǎng)AT切割石英晶體諧振器的性能,斜切頻率偏移,ESR,頻率-溫度曲線,溫度滯后和抗沖擊性。結(jié)果表明,Z'拉長(zhǎng)的石英帶在溫度滯后,ESR和抗沖擊性方面具有更好的性能。另一方面,對(duì)于斜切頻率偏移和頻率-溫度曲線,X-和Z'-長(zhǎng)矩形AT切割石英板分別具有自己的特性。
   金洛鑫電子與TXC晶振原廠合作多年,視對(duì)方為友好的,重要的合作公司,為國(guó)內(nèi)外眾多用戶提供上千萬(wàn)顆TXC Crystal原裝正品,并接受技術(shù)支持和樣品支持服務(wù)要求。如有任何關(guān)于TXC晶振的問題或需求,可以登錄金洛鑫電子官網(wǎng)http://m.wyss.net.cn,或直接聯(lián)系我司銷售人員0755-27837162,我們將竭誠(chéng)為您服務(wù)!

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