石英水晶的特性 I

◎石英水晶的特性：

Ø          石英是由矽和氧（二氧化矽）組合而成，並同時具有壓電及逆壓電效應。

Ø          施加壓力在水晶表面時，水晶表面的兩邊正電位和負電位。若將壓力改為拉力時，水晶表面兩邊電位互換。對於此物理現象，我們稱之為壓電效應，而具有這種特性的材料，我們則稱壓電材料。

Ø          若將晶體置於電場中，由於電場的作用引起晶體內部正負電荷位移，而這一位移又導致晶體不斷發生形變，此現象稱作逆壓電效應。

Ø          由於水晶之壓電及逆壓電效應同時存在，進而形成週期性振動，故利用此效應可得到晶體振動頻率。

Ø          相關作用機制，請參考下圖：

  
◎石英水晶振動模式：

 

Ø          水晶依切割方向不同，得到不同的振動模式。其切割方向參考下圖；

 

   

Ø          振動模式的區分：

Mode of Vibration Cut Frequency Range Frequency Formula Capacitance Ratio   AT Fundamental 800~5000 2000~80000 1670/t 300~450 220 AT 3rd Overtone AT 5th Overtone AT 7th Overtone AT 9th Overtone 20000~90000 40000~130000 100000~200000 150000~230000 1670×n/t n2×250 BT Fundamental 2000~35000 2560/t 650   +2°X 16~100 700×W/L2 450   XY NT 1~35 4~100 5700×t/L2 5000×W/L2 600 900   +5°X 40~200 2730/L 140   CT DT SL 250~1000 80~500 300~1100 3080/L 2070/L 460/L 400 450 450

 
Ø 不同切割模式下頻率變化與溫度關係     

   

◎石英晶體等效回路

 

  

Ø          串聯電阻(R1)：Equivalent Series Resistance

石英晶體的等效串聯電阻是以歐姆為單位，上述的串聯電感(L1)，和串聯電容(C1)，是兩個反相的相等阻抗，在等效電路上其結果是相互抵消的，而只剩下電阻(R1)特性，來形成串聯諧振，除了一些預先定義的並聯諧振頻率外，在串聯諧振石英振盪器阻抗(CI)量測，通常稱此為等效諧振電阻(R1)

 

Ø          串聯電感(L1)：Equivalent Series Inductance

石英晶體本身物理性質，與頻率有關。故又稱為「動態電感」(Motional Inductance)。

 

Ø          串聯電容(C1)：Equivalent Series Capacitance

   石英晶體本身物理性質，與頻率有關。故又稱為「動態電容」(Motional Capacitance)。

 

Ø          並聯電容(C0)：Shunt Capacitance

    晶片的兩電極端的靜電容量，是以pF為單位的，並聯電容的特性顯現與石英的介電係數，晶片兩電極的面積大小，及晶片基座的雜散電容量有關。由於與晶體頻率無直接關連，故又稱為「靜電容」(Static Capacitance)。

 

Ø          品質因素(Q)：Quality Factor

一個石英振盪器的Q值，即是諧振動力的品質因素，要得到一個高穩態的石英振盪器，最直接的關係就是提高Q值了，高的Q值使頻寬變小，使其誘導抵抗曲線更陡峭，而高 Q 值石英振盪器，對抗外接電路誘導抵抗特性變化的遷引效應，遠大於低 Q 值石英振盪器，使振盪頻率的選擇性更好穩定性更高