X和Z延伸矩形在各種小型貼片晶振中的含義
來源：http://cnhxbh.com 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，因為X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，臺灣晶技公司是其中一家，這個發(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。
在這項研究中，TXC晶振公司提出了不同尺寸的X和Z'拉長矩形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，安裝在兩個寬度側(cè)的Z'細長石英帶具有更好的溫度滯后和抗沖擊性能。對于模式耦合，斜切工藝和溫度曲線，X和Z'拉長的矩形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，因為它們體積小，易于制造。對矩形板的不同縱橫比的共振特性進行了許多研究。根據(jù)研究，可以推斷出以下內(nèi)容。當(dāng)矩形板的長度沿X方向并且寬厚比小（即DT切割）時，厚度剪切（TS）模式和面剪切模式之間的耦合很強[1][2]。另一方面，當(dāng)矩形板的長度沿Z'方向并且板安裝在兩個寬度側(cè)上時，TS模式與彎曲模式[3][4]更強地耦合。雖然這些研究為設(shè)計人員提供了有價值的信息，但它們被認為是過時的，因為今天的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。長度與厚度和寬度與厚度之比都很小。較早的設(shè)計規(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。
圖1.石英條的全局坐標和本地AT切割板坐標
如圖1所示，虛擬切片（板）最初相對于全局晶軸+X，Y和Z對齊，并且該板被定義為具有Y方向的法線。然后，對于AT切割，板繞+X軸逆時針旋轉(zhuǎn)約35°15'，Y軸和Z軸隨著Y'和Z'軸一起移動，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。不同的長寬比，即圖2中所示的X和Z'細長，導(dǎo)致不同的模耦合，能量俘獲和應(yīng)力-頻率特性。
圖2.（a）X-拉長和（b）Z-拉長矩形AT切石英板
X和Z'延長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能量并最小化安裝損耗的過程。隨著斜切過程的進行，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模式頻率增加率對于X和Z'細長板是不同的，因為單晶石英是各向異性材料并且剛度常數(shù)在X和Z'方向上是不同的。
圖3.（a）X-細長和（b）Z'細長輪廓矩形AT切石英晶體板
圖4.斜切過程中X和Z'拉長晶體板的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，運動為厚度剪切;但是，DT切割板的法線是Z'軸，運動是面剪切。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。
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寬比的兩個晶振組的頻率-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）和1.785mm（X）×3.5mm（Z'）（Z'拉長）。這兩組具有不同的溫度曲線，甚至切角也是相同的。
圖6.具有相同切割角但不同長寬比的兩個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伸長組的電極面積為1.42mm×0.72mm;然而，Z'細長諧振器的ESR遠小于X細長諧振器的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方向位移場的不同分布。
圖7.具有相同電極面積的Z'和X細長諧振器組的ESR
溫度滯后：
由于晶體諧振器經(jīng)歷了一個熱循環(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℃時可能會發(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寬度側(cè)角上的X形細長晶體板中并不明顯;然而，溫度滯后是非常嚴重的，因為晶體板的四個角通過安裝膠固定，如圖8所示。
圖9.Z'和X細長諧振器組的溫度滯后
抗沖擊性：
跌落試驗是評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。在測試之前和之后測量頻率和ESR;這兩種性質(zhì)的轉(zhuǎn)變是抗沖擊性的指標。圖10和11是由于跌落測試引起的Z'和X細長諧振器的頻率和ESR偏移。這兩組都是0.116mm厚，四角安裝，但有3.5mm（X）×1.82mm（Z'）（X-細長）和1.82mm（X）×3.5mm（Z'）（Z'-細長的尺寸。這兩個圖表明Z'細長貼片石英晶振的頻率和ESR偏移很小;這意味著Z'細長板具有更好的抗沖擊性，因為耦合的撓曲振動沿X方向傳播，力-頻率系數(shù)在X和Z'方向上不相等[5]。
圖10.由于跌落測試導(dǎo)致的Z'和X-長度諧振器組的頻移
圖11.由于跌落測試導(dǎo)致的Z'和X-長度諧振器組的ESR偏移
在本文中，進行了一系列實驗來研究X和Z'細長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，對于斜切頻率偏移和頻率-溫度曲線，X-和Z'-長矩形AT切割石英板分別具有自己的特性。
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在這項研究中，TXC晶振公司提出了不同尺寸的X和Z'拉長矩形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，安裝在兩個寬度側(cè)的Z'細長石英帶具有更好的溫度滯后和抗沖擊性能。對于模式耦合，斜切工藝和溫度曲線，X和Z'拉長的矩形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，因為它們體積小，易于制造。對矩形板的不同縱橫比的共振特性進行了許多研究。根據(jù)研究，可以推斷出以下內(nèi)容。當(dāng)矩形板的長度沿X方向并且寬厚比小（即DT切割）時，厚度剪切（TS）模式和面剪切模式之間的耦合很強[1][2]。另一方面，當(dāng)矩形板的長度沿Z'方向并且板安裝在兩個寬度側(cè)上時，TS模式與彎曲模式[3][4]更強地耦合。雖然這些研究為設(shè)計人員提供了有價值的信息，但它們被認為是過時的，因為今天的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。長度與厚度和寬度與厚度之比都很小。較早的設(shè)計規(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。
圖1.石英條的全局坐標和本地AT切割板坐標
圖2.（a）X-拉長和（b）Z-拉長矩形AT切石英板
在本節(jié)中，介紹了X和Z'延長矩形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能量并最小化安裝損耗的過程。隨著斜切過程的進行，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模式頻率增加率對于X和Z'細長板是不同的，因為單晶石英是各向異性材料并且剛度常數(shù)在X和Z'方向上是不同的。
圖3.（a）X-細長和（b）Z'細長輪廓矩形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）和1.230mm（X）×1.803mm（Z'）（Z'-拉長）。在這種情況下，Z'拉長的一個在斜切過程中具有更快的TS模式頻率增加率。
圖4.斜切過程中X和Z'拉長晶體板的TS模式頻率增加率
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，運動為厚度剪切;但是，DT切割板的法線是Z'軸，運動是面剪切。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。
圖5.AT切割TS模式和DT切割面剪切模式的圖示
圖6.具有相同切割角但不同長寬比的兩個諧振器組的溫度曲線
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伸長組的電極面積為1.42mm×0.72mm;然而，Z'細長諧振器的ESR遠小于X細長諧振器的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方向位移場的不同分布。
圖7.具有相同電極面積的Z'和X細長諧振器組的ESR
由于晶體諧振器經(jīng)歷了一個熱循環(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℃時可能會發(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寬度側(cè)角上的X形細長晶體板中并不明顯;然而，溫度滯后是非常嚴重的，因為晶體板的四個角通過安裝膠固定，如圖8所示。
圖8.（a）兩個角安裝X-細長晶體板
（b）四角安裝X-拉長的晶體板
（c）四角安裝Z'細長晶體板
圖9顯示了兩個諧振器組的溫度滯后，它們都是0.051mm厚和四個角安裝。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）和1.55mm（X）×4.4mm（Z'）（Z'拉長）。它表明Z'拉長晶體帶的頻率穩(wěn)定性優(yōu)于經(jīng)過熱循環(huán)的X伸長晶體帶的頻率穩(wěn)定性。
（c）四角安裝Z'細長晶體板
圖9.Z'和X細長諧振器組的溫度滯后
跌落試驗是評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。在測試之前和之后測量頻率和ESR;這兩種性質(zhì)的轉(zhuǎn)變是抗沖擊性的指標。圖10和11是由于跌落測試引起的Z'和X細長諧振器的頻率和ESR偏移。這兩組都是0.116mm厚，四角安裝，但有3.5mm（X）×1.82mm（Z'）（X-細長）和1.82mm（X）×3.5mm（Z'）（Z'-細長的尺寸。這兩個圖表明Z'細長貼片石英晶振的頻率和ESR偏移很小;這意味著Z'細長板具有更好的抗沖擊性，因為耦合的撓曲振動沿X方向傳播，力-頻率系數(shù)在X和Z'方向上不相等[5]。
圖10.由于跌落測試導(dǎo)致的Z'和X-長度諧振器組的頻移
圖11.由于跌落測試導(dǎo)致的Z'和X-長度諧振器組的ESR偏移
金洛鑫電子與TXC晶振原廠合作多年，視對方為友好的，重要的合作公司，為國內(nèi)外眾多用戶提供上千萬顆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://cnhxbh.com，或直接聯(lián)系我司銷售人員0755-27837162，我們將竭誠為您服務(wù)！
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