石英晶振小型化帶來的高振動(dòng)性能特點(diǎn)

發(fā)布時(shí)間：2017-05-22 16:52

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我們通常認(rèn)為在電子系統(tǒng)中,石英晶體振蕩器是最易碎的元件之一.這并不奇怪,因?yàn)檎袷幤骼锏氖⒕w諧振器是由一個(gè)很大的結(jié)晶體組成的,就像一個(gè)大的圓空AT-cut晶體被金屬夾固定在一個(gè)金屬殼里.這種結(jié)構(gòu)不能耐受高出50～100 g太多的振動(dòng)強(qiáng)度.這類晶體振蕩器非常適合大型臺(tái)式儀器和類似的設(shè)備,但不太適用于對(duì)高振動(dòng)性要求很高的應(yīng)用領(lǐng)域,如掌上電腦和軍需設(shè)備.在這些設(shè)備中,加速度達(dá)到千個(gè)甚至萬個(gè)g.很明顯,一般的晶體結(jié)構(gòu)在此類應(yīng)用中是不合適的.

推動(dòng)石英晶體和振蕩器結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)力來自對(duì)電子器件小型化的不斷追求.伴隨著照相機(jī)平版印刷的發(fā)展和加工石英晶振晶體的化學(xué)工藝的進(jìn)步,小型化在1970年邁出了關(guān)鍵的一步.這種新的處理工藝來自曾用于硅工業(yè)的一些技術(shù),能夠精確地磨制出小于1mm尺寸的石英晶體,并能精確到幾微米.在小型化進(jìn)程中很重要的另一步是將晶體牢牢固定于一個(gè)粗糙機(jī)架的陶瓷封裝技術(shù)得到發(fā)展.由此,這種制造與構(gòu)造工藝成為了石英晶體小型化不成文的標(biāo)準(zhǔn).

“小型化”與“好處”

幸運(yùn)的是,石英晶體振蕩器的小型化還帶來了額外的好處,那就是大大提高了它們沖擊與振動(dòng)的耐受性.因?yàn)槌叽缧?石英晶體諧振器質(zhì)量較低,也因此對(duì)諧振器的力也較小.如果使用強(qiáng)安裝材料,諧振器就不會(huì)因?yàn)榧铀俣忍蟮粝聛?它會(huì)被牢牢固定在本來的位置上.進(jìn)一步而言,由于它的小尺寸（短空白大小或短音叉齒）諧振器內(nèi)的剪力很小,諧振器能抵抗高振動(dòng)而不被破壞.
小尺寸的另一個(gè)附加的好處是,諧振器的最低彎曲型頻率狀態(tài)可達(dá)幾千赫茲或更高.這種情形至少會(huì)帶來兩個(gè)好處.第一個(gè),由于振動(dòng)到來之前大約1mm或更長時(shí)間會(huì)出現(xiàn)振動(dòng),可作為類似靜電噪聲的脈沖處理.在任何指定時(shí)段內(nèi)的振動(dòng)可大致看做一個(gè)固定的加速度,而這個(gè)加速度太小,所以不能激活晶體的彎曲模式.第二,這種彎曲型對(duì)頻率要求非常高,振動(dòng)產(chǎn)生的頻率通常低于2kHz,所以不會(huì)被其所激活.
這在劇烈振動(dòng)應(yīng)用環(huán)境和工業(yè)制造板取代刳刨工具時(shí)期非常重要.利用這種現(xiàn)代的制造與構(gòu)造,石英晶體諧振器不再是嬌嫩易碎的東西.如今很多的制造商都能提供耐千g機(jī)械振動(dòng)力的晶體和振蕩器.即便如此,在大多數(shù)要求非常嚴(yán)格的應(yīng)用場合,普通的晶體和振蕩器并不合適,如*和導(dǎo)彈電子.因?yàn)檫@其中的振動(dòng)能達(dá)到幾萬g.
要滿足這些方面的要求,光是諧振器的尺寸縮小并不夠,還必須將其按照受剪力最小原則安放.舉個(gè)例子,對(duì)高振動(dòng)AT-cut晶體而言,第三點(diǎn)裝配法可用于將晶體空白的無電端設(shè)置為晶體包.用這種方法,晶體抗振動(dòng)水平能上升至100 000g.同樣地,用這種晶體結(jié)合更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)工藝制造的振蕩器也能達(dá)到100 000g的抗振動(dòng)性.

設(shè)計(jì)耐強(qiáng)振動(dòng)系統(tǒng)時(shí),記住以下幾條箴言是非常有用的

● 晶體/振蕩器（較小包內(nèi)發(fā)現(xiàn)的）中,小尺寸的比大尺寸的更穩(wěn)固.
● 如果已知振動(dòng)是沿單一方向被采用,合理選擇晶體/振蕩器的方位能大大提高系統(tǒng)穩(wěn)固性.
● 除了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)表上必要的說明,別忘了問清晶振生產(chǎn)廠家供應(yīng)高振動(dòng)設(shè)備的歷史.
● 對(duì)音叉和擴(kuò)展型晶體而言,晶體尺寸隨頻率減小而減小,穩(wěn)固性隨頻率增大而增強(qiáng)（對(duì)某一指定型晶體）.
● 對(duì)AT晶體而言,晶體在13～50MHz內(nèi)是最穩(wěn)固的,當(dāng)處在16～32MHz時(shí)最佳.
● 注意對(duì)超過千g級(jí)的振動(dòng),普通的晶體和振蕩器是不合適的,需要采用專為高振動(dòng)應(yīng)用環(huán)境設(shè)計(jì)的類型.

● 音叉晶體（通常為10～600kHz）比擴(kuò)展型晶體（520kHz～2.5MHz）穩(wěn)固性更好.而AT-cut晶體（8MHz以上）是最穩(wěn)固的.

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