人類研究石英晶體及石英水晶已經(jīng)有一百多年的歷史了，AT切割的諧振器因?yàn)榉椒ê?jiǎn)單，而且可以滿足常用封裝的要求，被廣泛應(yīng)用到晶體生產(chǎn)中。使用AT切割的石英晶體諧振器通常是低頻的，常見的低頻有8.000MHz，12.000MHz，16.000MHz，20.000MHz，24.000MHz，32.000MHz等頻率。但今天我們用來做研究和實(shí)驗(yàn)的頻率，并不是這些頻點(diǎn)的其中之一，而是比較少人用但不是沒用的50.000MHz和54.000MHz。通過能量捕獲提高第三諧波諧振器性能的基本TS現(xiàn)代阻抗的研究，接下來是TXC晶振公司的實(shí)驗(yàn)過程，結(jié)果與結(jié)論。

AT切割石英晶體諧振器廣泛用于現(xiàn)代電路中。從家庭娛樂設(shè)備，PC，筆記本電腦到個(gè)人便攜式設(shè)備等，石英諧振器通常向中央處理單元（CPU）提供準(zhǔn)確的頻率信號(hào)，如心跳。由于無線和通信的進(jìn)步，更高頻率的源對(duì)于提高通信速度和質(zhì)量越來越重要。由于ATcut石英的頻率到溫度穩(wěn)定性，厚度剪切模式（TS模式）是石英水晶振動(dòng)子的主要模式。在TS模式中，頻率與板的厚度成反比。板越薄，頻率越高。然而，較薄的板意味著石英芯片的成本較高，因?yàn)榇嘈圆牧涎心ズ茈y。有幾種方法可以通過低頻石英諧振器獲得更高頻率的信號(hào)源。使用高泛音模式是經(jīng)濟(jì)方法之一。

石英諧振器廣泛用作電子設(shè)備的頻率源。AT切割石英板的主要模式是厚度剪切模式，其頻率與板厚度成反比。由于夾層結(jié)構(gòu)，AT晶體諧振器中僅存在奇數(shù)厚度剪切泛音。通常，基模的振幅大于所有泛音的振幅。這意味著基模的效應(yīng)串聯(lián)電阻最低。在本文中，基本和第三泛音的不同能量俘獲效應(yīng)被用來控制這兩種模式的電阻比。兩種5.0*3.2mm尺寸的諧振器，50MHz和54MHz三次諧波（基頻模式頻率分別為16.67MHz和18MHz），制成不同的斜切芯片。與第三泛音相比，基模具有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)和更強(qiáng)的穿透能力，通過安裝端吸收能量。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，適當(dāng)?shù)男鼻锌梢詼p少三次諧波的能量通量，但允許一些基本能量的能量通量向外傳播。然后可以控制這兩種模式的電阻比。

由于電邊界條件，只能存在TS模式的奇數(shù)，第3，第5......等。基本模式的抵抗力最低，并且泛音的抵抗力更高。如果振蕩電路被設(shè)計(jì)為激勵(lì)第三泛音，而不是基本模式，則它是一個(gè)三維貼片石英晶振。這種諧振器的頻率可以提高3倍，但電阻也會(huì)提高。它依賴于振蕩電路的負(fù)阻調(diào)節(jié)來抑制基模。然而，由于過程溫度變化，IC負(fù)電阻將是方差，并且基模可能導(dǎo)致諧波噪聲降低信號(hào)性能。如果基本模式的電阻可以設(shè)計(jì)得高于第三泛音的電阻，那么它是一個(gè)更好的第三泛音諧振器，因?yàn)?/span>IC可以更容易地激發(fā)第三泛音模式，干擾更少。

精美的石英芯片和能量捕獲：

斜面石英芯片是一種邊緣較薄的水晶板。斜角有兩個(gè)主要目的。一種是將振動(dòng)能量捕獲在中心區(qū)域以減少安裝損失，另一種是從不需要的模式“移開”。本文側(cè)重于前者。

圖1.帶有安裝膠的斜面石英芯片示意圖

圖1顯示石英諧振器是電極-石英-電極結(jié)構(gòu)，如夾層結(jié)構(gòu)。帶電極的中心區(qū)域比其他區(qū)域厚，甚至是沒有斜角的扁平芯片。能量可以被困在中心，因?yàn)橹行牡慕刂诡l率低于周圍的截止頻率。波在外面?zhèn)鞑r(shí)會(huì)衰減。輪廓芯片可以增強(qiáng)低頻（思想板和更長(zhǎng)波長(zhǎng)）諧振器中的能量捕獲效應(yīng)。

位移場(chǎng)模擬：

在本節(jié)中，我們模擬了兩個(gè)第三泛音諧振器的位移場(chǎng)，50MHz和54MHz，平面和等高石英芯片。這兩個(gè)諧振器的尺寸為50MHz：石英芯片-3.5*1.78mm2;電極-2.31*1.19mm254MHz：石英芯片-3.5*1.775mm2;電極-2.24*1.12平方毫米。

圖2.兩個(gè)第三泛音諧振器的幾何模型

圖3.用于模擬（50MHz）的扁平和輪廓石英芯片安裝端的放大圖

圖2顯示了石英板的兩個(gè)角被安裝，我們使用完美匹配層（PML）來模擬陶瓷基板上環(huán)氧樹脂的行為。圖3是嵌入環(huán)氧樹脂中的扁平和輪廓石英芯片的放大圖。

圖4.采用FLAT芯片的50MHz三次諧波諧振器的位移場(chǎng)

圖5.采用BEVELED芯片的50MHz三次諧波諧振器的位移場(chǎng)

圖6.帶有FLAT芯片的54MHz三次諧波諧振器的位移場(chǎng)

圖7.帶有BEVELED芯片的54MHz三次諧波諧振器的位移場(chǎng)

圖4至7是模擬結(jié)果。對(duì)于具有扁平芯片的基本模式（波長(zhǎng)長(zhǎng)于第三泛音的波長(zhǎng)），振動(dòng)可以延伸到安裝區(qū)域。然后，當(dāng)芯片傾斜時(shí)，位移場(chǎng)可以稍微集中到中心。對(duì)于第三泛音模式，當(dāng)芯片是平坦的時(shí)，振動(dòng)幾乎被限制在電極電鍍區(qū)域中。因此，似乎斜面芯片顯然不會(huì)改變第三泛音的位移場(chǎng)。50MHz和54MHz三次諧波諧振器都顯示出這種趨勢(shì)。

實(shí)驗(yàn)和結(jié)果：

測(cè)量具有不同傾斜芯片的兩個(gè)第三泛音壓電石英晶體的效應(yīng)串聯(lián)電阻（ESR）。斜切管的直徑為120mm，圖8和圖9是這些石英芯片的輪廓。隨著斜切時(shí)間的增加，芯片進(jìn)一步傾斜。

圖8.5,10,12和15小時(shí)后斜切的平坦和斜面50MHz第三泛音芯片的輪廓

圖9.5,10,12和15小時(shí)后斜切的平坦和斜面54MHz三次泛音芯片的輪廓

我們還在每個(gè)斜切時(shí)間之后測(cè)量斜切片的邊緣厚度。圖10是“邊緣厚度”的草圖。表I和II是邊緣厚度的測(cè)量數(shù)據(jù)。

圖10.5,10,12和15小時(shí)后斜切的平坦和斜面54MHz三次泛音芯片的輪廓

表1.50兆赫第三泛音諧振器的邊緣厚度

表2.54兆赫第三泛音諧振器的邊緣厚度

圖11和12分別是50MHz和54MHz晶振的斜切時(shí)間圖的ESR。對(duì)于3階泛音模式，斜角不會(huì)對(duì)ESR產(chǎn)生太大影響，因?yàn)榧词乖谄桨逯校駝?dòng)也可以限制在電極鍍層區(qū)域。然而，對(duì)于基本模式，進(jìn)一步的斜切可以降低ESR，因?yàn)檩喞螤羁梢砸种仆ㄟ^安裝端下沉的振動(dòng)能量。這些趨勢(shì)符合第III節(jié)中的位移場(chǎng)模擬結(jié)果。

圖11.50MHz諧振器斜切時(shí)間圖的基本和第三次諧波ESR

圖12.54MHz諧振器斜切時(shí)間圖的基本和第三次諧波ESR

圖13和14是斜角時(shí)間圖的ESR比率（第3個(gè)OT/基金。）。當(dāng)比率小于1時(shí)，基本ESR大于第三泛音。基本模式的能量通過安裝膠水嚴(yán)重?fù)p失到陶瓷基座上。在相同的斜切過程中，在54MHz下比率可以更容易大于1。由于54MHz的波長(zhǎng)短于50MHz的波長(zhǎng)，54MHz石英晶體的波傳播能力比50MHz的波傳播能力差。輕微的斜角可以向外切割短波長(zhǎng)的能量通量。

圖13.50MHz諧振器的斜角時(shí)間圖的ESR比（第3個(gè)OT/基金。

圖14.ESR比（第3個(gè)OT/基金。）到54MHz諧振器的斜切時(shí)間圖

根據(jù)仿真和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，適當(dāng)?shù)男鼻锌梢詼p少三次諧波的能量通量，但允許一些基本能量的能量通量向外傳播。然后可以控制這兩種模式的電阻比，以避免諧波噪聲，提高三次諧波石英晶振的性能。