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众多电子元件中最为精致的一款晶振

来源:http://businessandbook.com 作者:konuaer 2013年07月04

    石英晶体谐振器的开发和利用,拓宽了电子技术的应用领域。高精尖电子设备中的振荡器,几乎都采用石英晶体振荡器。石英晶体是硅石的一种。天然和人工制造的石英晶体都是六角椎体,具有各向异性的物理特性。按其自然形状有三个对称轴,电轴X,机械轴Y,光轴Z。石英晶体谐振器中的各种晶片,就是按与各轴不同角度,切割成正方形、长方形、圆形、或棒形薄片。不同切片的晶片振动形式不同,性能不同。为了把晶体切片接入电路,必须将晶片装置在支架上,并引出接线,然后封装在真空玻璃外壳或金属外壳内。
   随着科学技术的发展,国内外晶体振荡器性能越来越优异,应用领域也越来越广泛。其中在传感器技术领域的应用就是一个典型的例子。在水平姿态传感器领域中,虽然有电阻应变式、半导体压阻式、电容式、电磁式、光纤式、振弦式、硅谐振式以及石英谐振式等各种形式。但是数字式压电石英水平传感器以其精度高、响应快、数字输出、线性度高、稳定性好、抗干扰能力强,以及无活动部件和反馈回路等特点而成为现代传感器发展中的重点。
    在电子元器件中石英晶体振荡器是最易碎的元件之一。这并不奇怪,因为振荡器里的石英晶体谐振器是由一个很薄的结晶体组成的,就像一个大的圆空AT-cut晶体被金属夹固定在一个金属壳里。这种结构不能耐受高出50~100 g太多的振动强度。这类晶体振荡器非常适合大型台式仪器和类似的设备,但不太适用于对高振动性要求很高的应用领域,如掌上电脑和军需设备。在这些设备中,加速度达到千个甚至万个g。很明显,一般的晶体结构在此类应用中是不合适的。
   推动石英晶体和振荡器结构变化的动力来自对电子器件小型化的不断追求。伴随着照相机平版印刷的发展和加工石英晶体的化学工艺的进步,小型化迈出了关键的一步。这种新的处理工艺来自曾用于硅工业的一些技术,能够精确地磨制出小于1mm尺寸的石英/晶体,并能精确到几微米。在小型化进程中很重要的另一步是将晶体牢牢固定于一个粗糙机架的陶瓷封装技术得到发展。由此,这种制造与构造工艺成为了石英晶体小型化不成文的标准。
   幸运的是,石英晶体振荡器的小型化还带来了额外的好处,那就是大大提高了它们冲击与振动的耐受性。因为尺寸小,谐振器质量较低,也因此对谐振器的力也较小。如果使用强安装材料,谐振器就不会因为加速度太大掉下来,它会被牢牢固定在本来的位置上。进一步而言,由于它的小尺寸(短空白大小或短音叉齿)谐振器内的剪力很小,谐振器能抵抗高振动而不被破坏。
   小尺寸的另一个附加的好处是,谐振器的最低弯曲型频率状态可达几千赫兹或更高。这种情形至少会带来两个好处。第一个,由于振动到来之前大约1mm或更长时间会出现振动,可作为类似静电噪声的脉冲处理。在任何指定时段内的振动可大致看做一个固定的加速度,而这个加速度太小,所以不能激活晶体的弯曲模式。第二,这种弯曲型对频率要求非常高,振动产生的频率通常低于2kHz,所以不会被其所激活。
   这在剧烈振动应用环境和工业制造板取代刳刨工具时期非常重要。利用这种现代的制造与构造,石英晶体谐振器不再是娇嫩易碎的东西。如今很多的制造商都能提供耐千g机械振动力的晶体和振荡器。即便如此,在大多数要求非常严格的应用场合,普通的晶体和振荡器并不合适,如军用和导弹电子。因为这其中的振动能达到几万g。
   要满足这些方面的要求,光是谐振器的尺寸缩小并不够,还必须将其按照受剪力最小原则安放。举个例子,对高振动AT-cut晶体而言,第三点装配法可用于将晶体空白的无电端设置为晶体包。用这种方法,晶体抗振动水平能上升至100 000g。同样地,用这种晶体结合更先进的结构工艺制造的振荡器也能达到100 000g的抗振动性。
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