压电晶体知识大全-电子网

　　压电晶体*概述

　　压电晶体英文名称：piezoelectric crystal，压电晶体是指具有压电效应的晶体，当受到外界的挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶(α-石英)是一种有名的压电晶体。主要用于制造测压元件、谐振器、滤波器、声表面波换能及传播基片等。

　　压电晶体是用量仅次于单晶硅的电子材料，用于制造选择和控制频率的电子元器件，广泛应用于电子信息产业各领域，如彩电、空调、电脑、DVD、无电线通讯等，尤其在高性能电子设备及数字化设备中应用日益扩大。低腐蚀隧道密度压电晶体是生产SMD频率片、手机频率片的必需材料。压电晶体产品品种主要有： Z棒、Y棒、厚度片、频率片。它是信息产业中关键的频率元器件之一，广泛地用于通讯、计算机、家用电子及电器和各种工业电子设备中，凡是涉及时间与频率领域中晶体元器件都必不可少，应用领域越来越广泛，市场前景也越来越好。

　　压电晶体*相关术语

　　1、标称频率：晶体技术条件中规定的频率，通常标识在产品外壳上。

　　2、工作频率：晶体与工作电路共同产生的频率。

　　3、调整频差：在规定条件下，基准温度(25±2℃)时工作频率相对于标称频率所允许的偏差。

　　4、温度频差：在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度(25±2℃)时工作频率的允许偏差。

　　5、老化率：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。以年为时间单位衡量时称为年老化率。

　　6、静电容：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用C0表示。

　　7、负载电容：与晶体一起决定负载谐振频率fL的有效外界电容，通常用CL表示。负载电容系列是：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。只要可能就应选推荐值：10PF、20PF、30PF、50PF、100PF。

　　8、负载谐振频率(fL)：在规定条件下，晶体与一负载电容相串联或相并联，其组合阻抗呈现为

　　电阻性时的两个频率中的一个频率。在串联负载电容时，负载谐振频率是两个频率中较低的一个，在并联负载电容时，则是两个频率中较高的一个。

　　9、动态电阻：串联谐振频率下的等效电阻。用R1表示。

　　10、负载谐振电阻：在负载谐振频率时呈现的等效电阻。用RL表示。　RL=R1(1+C0/CL)2

　　11、激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值。激励电平可选值有：2mW、1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等

　　12、基频：在振动模式*低阶次的振动频率。

　　13、泛音：晶体振动的机械谐波。泛音频率与基频频率之比接近整数倍但不是整数倍，这是它与电气谐波的主要区别。泛音振动有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等。

　　压电晶体*压电效应

　　石英晶体的压电效应

　　某些晶体，当沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷;当外力去掉后，又恢复到不带电状态;当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变;晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫压电效应。反之，如对晶体施加电场，晶体将在一定方向上产生机械变形;当外加电场撤去后，该变形也随之消失。这种现象称为逆压电效应，也称作电致伸缩效应。

　　压电晶体*负载电容

　　1、负载电容与频率牵引：在许多应用中，都有用一负载电抗元件来牵引晶体频率的要求，这在锁相环回路及调频应用中非常必要，大多数情况下，这个负载电抗呈容性，当该电容值为CL时，则相对负载谐振频率偏移量为：DL=C1/[2(C0+CL)]。而以CL作为可调元件由DL1调至DL2时，相对频率牵引为：

　　DL1，L2= C1(CL1-CL2)/[2(C0+CL1)(C0+CL2)]。

　　2、负载电容的选择：晶体工作在基频时，其负载电容的标准值为20PF、30PF、50PF、100PF。而泛音晶体经常工作在串联谐振，在使用负载电容的地方，其负载电容值应从下列标准值中选择：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF。

　　压电晶体*晶体电阻

　　晶体电阻：对于同一频率，当工作在高次泛音振动时其电阻值将比工作在低次振动时大。

　　"信号源+电平表"功能由网络分析仪完成

　　Ri、R0：仪器内阻：一般为50Ω

　　R1--滤波器输入端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去50Ω。

　　R2--滤波器输出端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去50Ω。

　　在滤波器条件的匹配阻抗中有时有并接电容要求，应按上图连接。

　　压电晶体*工作温度范围与温度频差

　　工作温度范围与温度频差：在提出温度频差时，应考虑设备工作引起的温升容限。当对温度频差要求很高，同时空间和功率都允许的情况下，应考虑恒温工作，恒温晶体振荡器就是为此而设计的。

　　压电晶体*恒温晶体振荡器

　　恒温晶体振荡器 (以下简称OCXO) ，这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及**设备等领域。根据用户需要，该类型晶振可以带压控引脚。

　　恒温晶体振荡器原理框图OCXO的主要优点是，由于采用了恒温槽技术，频率温度特性在所有类型晶振中是*好的，由于电路设计精密，其短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体积大，需要5分钟左右的加热时间才能正常工作等。 2) 温度补偿晶体振荡器(以下简称TCXO)。

　　其对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段，主要原理是通过感应环境温度，将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率，达到稳定输出频率的效果。传统的TCXO是采用模拟器件进行补偿，随着补偿技术的发展，很多数字化补偿大TCXO开始出现，这种数字化补偿的TCXO又叫DTCXO，用单片机进行补偿时我们称之为MCXO，由于采用了数字化技术，这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度，并且能够适应更宽的工作温度范围，主要应用于**领域和使用环境恶劣的场合。

　　压电晶体*激励电平的影响

　　激励电平的影响：一般来讲，AT切晶体激励电平的增大，其频率变化是正的。激励电平过高会引起非线性效应，导致可能出现寄生振荡;严重热频漂;过应力频漂及电阻突变。当激励电平过低时则会造成起振阻力不易克服、工作**及指标的不稳定。

　　压电晶体*滤波电路中的应用

　　滤波电路中的应用：应用于滤波电路中时，除通常的规定外，更应注意其等效电路元件的数值和误差以及寄生响应的位置和幅度，由于滤波晶体设计的特殊性，所以用户选购时应特别说明。

　　压电晶体*镀膜电极设计方法

　　其特征是在制造过程中，首先通过在石英晶片的两面镀上矩形的银或金导电膜，同时在石英晶片的侧面镀上50nm～250nm厚度的电极：其次通过导电胶连接电极部分和陶瓷基座，形成可以自由振动的振动子;再次经过隧道炉固化、蒸镀法或刻蚀法调频和封装，从而在电路中实现晶体谐振的功能。优点：在石英晶片的侧面镀上一定厚度的电极，连接对应的上下电极，从而摆脱对底面胶连接的依赖，即使没有面胶，产品也可以正常有效地工作。产品加工过程合格率大大提高。产品可靠性得到提升。本发明与传统镀膜电极设计方法相比，即使底胶和面胶完全不连接，也可保证晶体电气参数不受影响。

　　压电晶体*原理

　　MCXO数字温补晶振原理框图普通晶体振荡器(SPXO)。这是一种简单的晶体振荡器，通常称为钟振，其工作原理为图3中去除“压控”、“温度补偿”和“AGC”部分,完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。压控晶体振荡器(VCXO)。这是根据晶振是否带压控功能来分类，带压控输入引脚的一类晶振叫VCXO，以上三种类型的晶振都可以带压控端口。

　　如果按一定方向对水晶晶体上切下的薄片施加压力，那么在此薄片上将会产生电荷。如果按相反方向拉伸这一薄片，在此薄片上也会出现电荷，不过符号相反。挤压或拉伸的力愈大，晶体上的电荷也会愈多。如果在薄片的两端镀上电极，并通以交流电，那么薄片将会作周期性的伸长或缩短，即开始振动。这种逆压电效应在科学技术中已得到了广泛的应用。用水晶可以制作压电石英薄片，其面积不过数平方毫米，厚度则只有零点几毫米。别小看这小小的晶片，它在无线电技术中却发挥着巨大作用。如前所述，在交变电场中，这种薄片的振动频率丝毫不变。这种稳定不变的振动正是无线电技术中控制频率所必须的，你家中的彩色电视机等许多电器设备中都有用压电晶片制作的滤波器，保证了图像和声音的清晰度。你手上戴的石英电子表中有一个核心部件叫石英振子。就是这个关键部件保证了石英表比其他机械表更高的走时准确度。

　　装有压电晶体元件的仪器使技术人员研究蒸汽机、内燃机及各种化工设备中压力的变化成为现实。利用压电晶体甚至可以测量管道中流体的压力、大炮炮筒在发射炮弹时承受的压力以及炸弹爆炸时的瞬时压力等。

　　压电晶体还广泛应用于声音的再现、记录和传送。安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。声波一碰到压电薄片，就会使薄片两端电极上产生电荷，其大小和符号随着声音的变化而变化。这种压电晶片上电荷的变化，再通过电子装置，可以变成无线电波传到遥远的地方。这些无线电波为收音机所接收，并通过安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动，又变成声音回荡在空中。是不是可以这样说，麦克风中的压电晶片能“听得见”声音，而扬声器上的压电晶体薄片则会“说话”或“唱歌”。