晶振行業(yè)必備術語手冊：工程師必收藏(上)

分類：解決方案日期：2025-08-15 14:48:15

在電子電路設計中，晶振的每一項參數(shù)都與產(chǎn)品命運息息相關——哪怕只差0.1ppm，也可能讓整板“翻車”。看似最基礎的術語，正是硬件工程師每天必須跨越的隱形門檻。

本文將從常規(guī)名詞切入，解析晶振材料、結構、電路等關鍵概念，讓“門檻”變成“墊腳石”。

由于內(nèi)容較長將分為上下兩篇文章解釋，本文是上篇，介紹內(nèi)容有：

· 石英材料及頻率控制產(chǎn)品

· 壓電性

· 石英晶體切割類型

· 振動方式

· 頻率-溫度特性

· 晶體諧振器的等效電路

＞ 石英材料及頻率控制產(chǎn)品

石英是一種具有壓電性的晶體（SiO?），廣泛應用于電子設備的頻率控制。其主要產(chǎn)品分為兩類：

體聲波器件：如晶體諧振器、晶體濾波器和時鐘振蕩器（如皮爾斯振蕩器、壓控振蕩器等）。

表面聲波器件：如聲表面波（SAW）諧振器和濾波器，利用叉指換能器（IDT）在石英表面產(chǎn)生高頻振動。

(圖1)結晶石英材料

＞ 壓電性

在穩(wěn)定狀態(tài)下，SiO?（二氧化硅）的電偶極子沿硅的六軸排列，整體呈電中性。當外加電場時：

沿偶極方向施加電場：硅側顯正電，氧側顯負電，感應電場平衡系統(tǒng)。

反向施加電場（硅側負電、氧側正電）：氧離子相互靠近，其水平振動頻率與垂直交變電場同步，振幅取決于電場與偶極子的夾角。

當交變電場頻率與氧離子水平振動頻率一致時發(fā)生共振，振幅取決于電場與偶極的夾角。三維器件中，電場由晶圓表面電極提供，偶極方向由切割角度決定。

壓電性是石英晶體的一項重要物理特性，它描述了電能和機械能之間的相互轉換。具體來說：

○ 當對石英晶體施加機械應力（如擠壓、拉伸或彎曲）時，其內(nèi)部電荷會重新分布，在晶體表面產(chǎn)生電壓。

○ 反之，當對石英晶體施加電壓（或交變電場）時，晶體內(nèi)部的原子會發(fā)生位移，導致晶體產(chǎn)生機械形變或振動。

正是利用這種“電-力”相互轉換的特性，我們才能讓石英晶體在電路中精確地振動，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的頻率信號。

(圖2)SiO?的一維壓電簡化

＞ 石英晶體切割類型

根據(jù)對石英棒切割角度的不同，有不同種類的石英板材，例如AT、BT、CT、DT、NT、GT切型板材。不同類型的石英板材，以一組歐拉角表示，具有不同的可用彈性、壓電和介電性能。這是設計石英晶體器件的基本參數(shù)。最常用的石英切割類型如圖3所示。

(圖3)Z板石英晶體的取向角。

＞ 振動模式

石英晶體單元的振動類型分為彎曲振動，擴張振動，表面切變振動和厚度切變振動。通常使用的振動類型和切割方式的示意圖列在表1中。基頻和泛音可以在任何類型的諧振器中工作。基頻和泛音可以在任何類型的諧振器中工作。最常用的是基頻，但對于厚度型器件也常用泛音，如圖4所示。）

(圖4)振動模式和切割角度。

＞ 頻率-溫度特性

石英產(chǎn)品大多作為電路元件用于頻率選擇和/或頻率控制，因此器件的頻率-溫度特性是最重要的參數(shù)。這種百萬分之一(ppm)級頻率-溫度特性的穩(wěn)定性是石英頻率器件的另一個優(yōu)點，是LCR離散分量振蕩電路無法在大規(guī)模生產(chǎn)中實現(xiàn)的。對于常用的石英晶體切割，其頻率-溫度特性如圖5所示。