石英水晶的特性 I

 
石英水晶的特性:
Ø          石英是由矽和氧(二氧化矽)組合而成,並同時具有壓電及逆壓電效應。
Ø          施加壓力在水晶表面時,水晶表面的兩邊正電位和負電位。若將壓力改為拉力時,水晶表面兩邊電位互換。對於此物理現象,我們稱之為壓電效應,而具有這種特性的材料,我們則稱壓電材料。
Ø          若將晶體置於電場中,由於電場的作用引起晶體內部正負電荷位移,而這一位移又導致晶體不斷發生形變,此現象稱作逆壓電效應。
Ø          由於水晶之壓電及逆壓電效應同時存在,進而形成週期性振動,故利用此效應可得到晶體振動頻率。
Ø          相關作用機制,請參考下圖:
  
石英水晶振動模式:
 
Ø          水晶依切割方向不同,得到不同的振動模式。其切割方向參考下圖;
 
   
Ø          振動模式的區分:
Mode of Vibration
Cut
Frequency Range
Frequency Formula
Capacitance Ratio
 
AT Fundamental
800~5000
2000~80000
1670/t
300~450
220
AT 3rd Overtone
AT 5th Overtone
AT 7th Overtone
AT 9th Overtone
20000~90000
40000~130000
100000~200000
150000~230000
1670×n/t
n2×250
BT Fundamental
2000~35000
2560/t
650
 
+2°X
16~100
700×W/L2
450
 
XY
NT
1~35
4~100
5700×t/L2
5000×W/L2
600
900
 
+5°X
40~200
2730/L
140
 
CT
DT
SL
250~1000
80~500
300~1100
3080/L
2070/L
460/L
400
450
450
 
 
Ø 不同切割模式下頻率變化與溫度關係     
   
石英晶體等效回路
 
  
Ø          串聯電阻(R1):Equivalent Series Resistance
石英晶體的等效串聯電阻是以歐姆為單位,上述的串聯電感(L1),和串聯電容(C1),是兩個反相的相等阻抗,在等效電路上其結果是相互抵消的,而只剩下電阻(R1)特性,來形成串聯諧振,除了一些預先定義的並聯諧振頻率外,在串聯諧振石英振盪器阻抗(CI)量測,通常稱此為等效諧振電阻(R1)
 
Ø          串聯電感(L1):Equivalent Series Inductance
石英晶體本身物理性質,與頻率有關。故又稱為「動態電感」(Motional Inductance)。
 
Ø          串聯電容(C1):Equivalent Series Capacitance
   石英晶體本身物理性質,與頻率有關。故又稱為「動態電容」(Motional Capacitance)。
 
Ø          並聯電容(C0):Shunt Capacitance
    晶片的兩電極端的靜電容量,是以pF為單位的,並聯電容的特性顯現與石英的介電係數,晶片兩電極的面積大小,及晶片基座的雜散電容量有關。由於與晶體頻率無直接關連,故又稱為「靜電容」(Static Capacitance)。
 
Ø          品質因素(Q):Quality Factor
一個石英振盪器的Q值,即是諧振動力的品質因素,要得到一個高穩態的石英振盪器,最直接的關係就是提高Q值了,高的Q值使頻寬變小,使其誘導抵抗曲線更陡峭,而高 Q 值石英振盪器,對抗外接電路誘導抵抗特性變化的遷引效應,遠大於低 Q 值石英振盪器,使振盪頻率的選擇性更好穩定性更高