温度对石英晶体频率特性的影响

靳逸云

       大部份的石英晶体产品是用於电子线路上的参考频率基准或频率控制元件, 所以,频率与工作环境温度的特性是一个很重要的参数. 事实上, 良好的频率与温度(frequeny versus temperature)特性也是选用石英做为频率元件的主要因素之一. 经由适当的定义及设计, 石英晶体元件可以很容易的就满足到以百万分之一 (parts per million, ppm) 单位等级的频率误差范围. 若以离散电路方式将LCR零件组成高频振荡线路, 虽然也可以在小量生产规模达到所需要的参考频率信号误差在ppm或sub-ppm等级要求, 可是这种方式无法满足产业要达到的量产规模. 石英元件的频率对温度特性更是离散振荡线路无法简易达成的. 在(图四) 中提供了数种不同的石英晶体切割角度的频率对温度特性曲线.

　　〔Fig.4〕Frequency-temperature characteristics of various quartz cuts.
　　  在各种不同种类的切割角度方式中, AT角度切割的石英晶片适用在数MHz到数佰MHz的频率范围,是石英晶片应用范围范及使用数量最多的一种切割应用方式. 在(图五)中, 从石英晶棒X-轴向的上视图,可以看到对Z-轴向旋转约35度的AT方向. 这在大量生产的技术上也是很好达成的一种作业方式.

　　( Fig.5 ) Orientation of AT plat
　　(图六)是以AT切割角度变动在厚度振动模态的频率对温度特性的展开图. 图中以常用的室温摄式25度作为相对零点, AT切割的是频率对温度变化为一元三次方曲线. 这个特性, 从(图六)中可以看到,在相当宽广的温度范围下, AT切割的温度曲线的阶及第二阶常数为零, 第三阶的常数便决定了频率对温度的变化值.

　　(Fig. 6) AT - cut frequency-temperature characteristics

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