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石英晶振歷史及優點

來源:http://www.jjahid.co 作者:康比電子 2019年07月22
    石英晶體振蕩器是一種電子振蕩器電路,它利用壓電材料振動晶體的機械共振來產生具有精確頻率的電信號.這一頻率通常用于記錄時間,如石英手表,為數字集成電路提供穩定的時鐘信號,并穩定無線電發射機和接收機的頻率.最常見的壓電諧振器類型是石英晶振,因此包含它們的振蕩器電路被稱為晶體振蕩器,,但包括多晶陶瓷在內的其他壓電材料也用于類似的電路中.
    石英晶體的制造頻率從幾十千赫茲到數百兆赫不等.每年生產超過20億顆晶體.大多數用于手表,鐘表,收音機,電腦和手機等消費設備.石英晶體也存在于測試和測量設備中,如計數器,信號發生器和示波器.

歷史
    壓電現象是雅克和皮埃爾•居里在1880年發現的.第一次世界大戰期間,保羅•朗之萬首先研究了聲納中使用的石英晶體諧振器.第一個使用羅謝爾鹽晶體的晶體控制振蕩器是由貝爾電話實驗室的亞歷山大•尼克爾森于1917年制造的,并于1918年獲得[4]專利,盡管沃爾特•蓋頓•卡迪對他的優先權有爭議.[5]凱蒂在1921年制造了第一個石英晶體振蕩器.[6]石英晶體振蕩器的其他早期創新者包括喬治•皮爾斯和路易•埃森.
    石英晶體振蕩器是在20世紀20年代和30年代為高穩定性頻率基準而開發的.在水晶出現之前,無線電臺用調諧電路控制頻率,這種電路很容易漂移關閉頻率3-4千赫.由于廣播電臺被分配的頻率只有10千赫,由于頻率漂移造成的相鄰電臺之間的干擾是一個常見問題.
非常早期的貝爾實驗室來自維創國際收藏的晶體
    晶體振蕩器是一種電子振蕩器電路,它使用壓電諧振器晶體作為頻率確定元件.晶體是電子學中常用的頻率術語-
    測定元件,石英晶體或陶瓷晶片,其上連接有電極.更準確的說法是壓電諧振器.晶體也用于其他類型的電子電路,如晶體濾波器.
    壓電諧振器作為單獨的元件出售,用于晶體振蕩器電路.圖中顯示了一個例子.它們通常與晶體振蕩器電路一起集成在一個封裝中,如右側所示.
    西屋公司在其旗艦電臺KDKA安裝了一個有源晶振,到1926年,石英晶體被用來控制許多廣播電臺的頻率,并受到業余無線電運營商的歡迎.
    1928年,貝爾電話實驗室的沃倫•馬里奧森開發了第一個石英晶體時鐘.在30年內(30毫秒/年,或7秒),[石英鐘取代精密擺鐘成為世界上最精確的計時器,直到20世紀50年代原子鐘得到發展.利用貝爾實驗室的早期工作,AT&T最終建立了他們的頻率控制產品部門,后來分離出來,今天被稱為維克特隆國際公司.在此期間,許多公司開始生產電子用石英晶體.使用現在被認為是原始的方法,美國在1939年生產了大約10萬個晶體單位.二戰期間,水晶是由天然石英晶體制成的,幾乎全部來自巴西.戰爭期間,由于對軍用和海軍無線電和雷達進行精確頻率控制的需求而導致晶體短缺,這刺激了戰后對人造石英培養的研究.
     到1950年,貝爾實驗室開發了一種工業規模的熱液石英晶振生長工藝.到20世紀70年代,幾乎所有用于電子產品的晶體都是合成的.
    1968年,于爾根•斯陶德在北美航空公司(現在的洛克威爾)工作時,發明了一種制造石英晶體振蕩器的光刻工藝,這種工藝使石英晶體振蕩器可以做得足夠小,可以用于手表等便攜式產品.盡管晶體振蕩器仍然最常用石英晶振,但使用其他材料的器件正變得越來越普遍,例如陶瓷諧振器.晶體是一種固體,其中組成原子,分子或離子以規則有序,重復的模式在所有三個空間維度上排列.幾乎任何由彈性材料制成的物體都可以像晶體一樣使用,帶有適當的傳感器,因為所有物體都有固有的振動共振頻率.例如,鋼非常有彈性,并且有很高的聲速.在石英出現之前,它通常用于機械過濾器.共振頻率取決于材料的大小,形狀,彈性和聲速.高頻晶體通常被切割成簡單的矩形板的形狀.低頻晶體,例如那些用于數字手表的,通常被切割成音叉的形狀.對于不需要非常精確定時的應用,通常使用低成本陶瓷諧振器來代替石英晶體.
    當石英晶體被正確切割和安裝時,通過向晶體附近或晶振上的電極施加電壓,可以使其在電場中變形.這種性質被稱為電致伸縮或逆壓電.當電場被移除時,石英在恢復到其先前形狀時產生電場,這可以產生電壓.其結果是石英晶體的行為就像RLC電路,由電感,電容和電阻組成,具有精確的諧振頻率.
    石英的另一個優點是,它的彈性常數和尺寸的變化使得頻率對溫度的依賴性非常低.具體特征取決于振動模式和石英切割的角度(相對于其晶軸).因此,取決于其尺寸的板的共振頻率變化不大.這意味著石英鐘,聲表面濾波器或振蕩器保持精確.對于關鍵應用,石英振蕩器安裝在溫控容器中,稱為晶體爐,也可以安裝在減震器上,以防止外部機械振動的擾動.

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