石英晶体的发展与应用

•™•石英晶体元器件技术的发展及应用南京无线电工业学校龚美霞NewDevelopmentandApplicationofQuartzCrystalComponents§ÏÎÇ-ÅÉØÉÁ摘要š石英晶体器件是目前电子元器件领域应用最广泛的基础元件之一Œ可广泛用于各种电子技术应用方面"文中分析了石英晶体元器件的技术的进展Œ重点介绍了石英晶体振荡器和石英晶体滤波器的发展状况和今后的发展方向"指出了石英晶体元器件的主要应用领域及市场情况"

关键词š石英晶体›振荡器›滤波器›发展›市场分类号š´®—•’1’›´®—‘“

‹1™‘文献标识码š¢文章编号š‘••–•–™——ˆ’••‘‰•‘••••™••“

p综述

石英晶体元器件是用压电单晶石英ˆ即水晶‰制成的压电器件Œ它不仅具有高度稳定的物理化学性能Œ而且弹性振动损耗极小"与其它电子元器件相比Œ压电石英晶体还有着很高的频率稳定度和高±值ˆ高达数百万‰Œ其主要原材料人造石英水晶的价格又较低Œ这些十分突出的优点Œ使其成为稳定频率和选择频率的重要元器件"石英晶体元器件在电子整机中的应用非常广泛Œ从普通的儿童玩具!电子钟表到彩电!音响!¶£¤!微处理机!无线通讯!电视信号转播等都离不开它"随着电子信息产业的飞速发展Œ尤其是数字化电路的广泛应用Œ石英晶体元器件的市场需求量快速增长"对晶体元器件的片式化!小型化!高频率稳定度以及一些特殊要求也越来越高"近几年Œ国内外石英晶体元器件生产!工艺以及产品质量的技术水平都有了跨越式的发展"在此Œ笔者对此作些粗略分析与探讨"‘石英晶体元器件的技术进展石英晶体元器件一般分为两大类Œ即石英晶体振荡器和石英晶体滤波器"‘1‘石英晶体振荡器石英晶体振荡器是目前精确度和稳定度最高的振荡器Œ广泛应用于全球定位系统ˆ§°³‰和移动通信等各种系统中"石英晶体振荡器是由品质因素极高的谐振器ˆ石英晶体振子‰和振荡电路组成"晶体的品质!切割取向!晶体振子结构及电路形式等因素共同决定了振荡器的性能"国际电工委员会ˆ©¥£‰

将石英晶体振荡器分为”类š即普通晶体振荡器ˆ³°¸¯‰!电压控制式晶体振荡器ˆ¶£¸¯‰!温度补

偿式晶体振荡器ˆ´£¸¯‰!电压控制式晶体振荡器ˆ¯£¸¯‰"当前石英晶体振荡器的发展Œ不仅表现在

系列品种的增加和市场需求量的增长方面Œ而且体现在产品技术创新上"技术方面主要有以下几点š

Á1小型化!薄型化和片式化

为满足以移动电话为代表的便携式产品轻!薄!

短!小的要求Œ石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳向覆塑料金属和陶瓷封装转变Œ近年来´£¸¯器件平均缩小了“•多倍Œ有的近‘••倍"采用³-¤封装的´£¸¯的厚度不足’ÍÍŒ•@

“ÍÍ尺寸的器件已经上市"在几种主要类型的石英

À³©-¯¸‡›ÆÒÏÍÂÕÌËÔÏÓÕÒÆÁÃÅÍÉÃÒÏÍÁÃÈÉÎ2ÉÎÇŒÁÎÅ×ÁÇÅÆÏÒÓÉÌÉÃÏÎÓÅÎÓÏÒÓÁÎÄÁÃÔÕÁ2ÔÏÒÓŒ³ÅÎÓÏÒÓÁÎÄ¡ÃÔÕÁÔÏÒÓ¡Œ”–*”—Œ‘™™•š˜*‘–—Ž路敦武Œ黄惠杰Œ沈蓓军Œ等1几种微机械系统组装技术1功能材料与器件学Œ”ˆ’‰Œ‘™™˜š‘“˜*‘”•˜1张寿柏Œ赵小林Œ丁桂甫等Ž电磁型微马达的研究Ž功能材料与器件学报Œ”ˆ’‰Œ‘™™˜š—˜•˜’

收稿日期š’•••••–•’‘

咨询编号š•‘•‘•‘

石英晶体元器件技术的发展及应用•‘••5国外电子元器件6’••‘年第‘期’••‘年‘月晶体振荡器中Œ´£¸¯的体积缩小最明显Œ其次是¶£¸¯"石英晶体振荡器体积的进一步缩小Œ使得晶体振子的频率可变范围变小Œ并使温度补偿困难化"同时Œ片式封装的回流焊作业至少要在’”•e下一直持续约‘•秒钟Œ如不采取局部散热措施Œ很难使石英晶体振子的频率偏移量控制在?•1•@‘••–范围内Œ需要说明的是š此类器件远未进入微型化的极限Œ体积的进一步缩小仍有一定的余量"Â1高精度与高稳定化移动通信技术的发展之所以能使石英晶体振荡器焕发出勃勃生机Œ关键在于其具有很高的频率精度和稳定度Œ目前即使是无补偿式的晶体振荡器Œ其总精度也能达到?’•ÐÐÍ"在´£¸¯!¶£¸¯和¯£¸¯三种类型的器件中Œ¯£¸¯的频率稳定度最高Œ而¶£¸¯的频率稳定度则相对稍许逊色一些"在•*—•e范围内Œ¶£¸¯的频率稳定度一般为?’•*‘••ÐÐÍŒ而¯£¸¯在这一温度范围内的频率稳定度一般为?•1•••‘*•ÐÐÍ"¶£¸¯主流产品的频率稳定度大多控制在?’•ÐÐÍ以下Œ频率调整范围可达?’•*?‘••ÐÐÍŒ老化率低于?’ÐÐÍ•年"目前Œ¯£¸¯产品的一般水平是š频率稳定度在?•1••‘ÐÐ͈•’•*–•e‰Œ年老化率低于?•1••ÐÐÍ"虽然¯£¸¯体积较大Œ但在精密频率计数器!频谱及网络分析仪!基站及导航等领域中仍被广泛应用"Ã1低噪声Œ高频化在全球定位系统ˆ§°³‰中是不允许频率颤抖的Œ相位噪声则是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数"对¯£¸¯器件来说Œ§°³系统往往要求其具有较高的抑制相位噪声的能力"这使得¯£¸¯主流产品的相位噪声性能有了很大改善"目前除¶£¸¯外Œ其它类型的晶体振荡器的最高输出频率一般不过’••-¨Ú"目前Œ提高¶£¸¯振荡频率主要依靠石英晶体³¡·谐振器!变容二极管!串联电感器及放大器组成的压控³¡·振荡器ˆ¶£³¯‰来完成"在§³-和°¤£等移动电话所有的振荡器中Œ频率较高的是µ£¶”系列压控振荡器ˆ¶£¯‰Œ其频率荡围为–••*‘—••-¨ÚŒ电源电压为’1’*“1“¶Œ工作电流为˜*‘•Í¡"Ä1低功耗Œ启动快不同类型的石英晶体振荡器的工作电压不同Œ但应尽可能的采用“1“¶的电源电压"低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势Œ目前很多´£¸¯和¶£¸¯产品的电流损耗不超过’Í¡"石英晶体振荡器在快速启动技术方面也取得了突破性进展"日本精工!爱普生公司生产的¶§•

’“’•³£型¶£¸¯石英晶体振荡器在?•1‘ÐÐÍ规

定值范围内Œ其频率稳定时间小于”ÍÓ"在‘ÍÓ以内输出振荡信号的振幅可达到额定值的™•…"日本东京陶瓷公司生产的表面贴装´£¸¯Œ在振荡启动”ÍÓ后Œ其幅值可达到额定值的™•…"¯¡«公司的

‘•*’•-¨Ú的¯£¸¯等产品则可在•分种的预热时间内达到?•1•‘ÐÐÍ的稳定度"

此外Œ目前绝大多数石英晶体振荡器的输出逻辑与´´¬!高速£-¯³ˆ¨£-¯³‰或´´¬•¨£-¯³兼容Œ因而提高了器件的适应性和设计的灵活性"

‘1’石英晶体滤波器

单片晶体滤波器ˆ-£¦‰是在石英基片表面配置若干金属电极而构成的带通和带阻滤波器"它利用压电效应的能陷理论来选择电极振子的几何尺寸!返回频率和电极振子间矩Œ以控制超声波的声学耦合Œ从而达到滤波的目的"其特点是频率选择度十分陡峭!损耗低!稳定性好!阻带衰减高Œ现已在移动通信设备中大量使用Œ是必不可少的初级中频滤波器Œ对提高整机灵敏度和抗干扰能力具有重要作用"国外-£¦产品实用化水平为š中心频率为几-¨Ú*‘••-¨ÚŒ带宽•1••‘*•1‘…Œ频道间隔

‘’1•*’•Ë¨ÚŒ最小封装尺寸为˜@˜@“1’ÍÍŒ重量为•1”Ç"

-£¦目前的发展方向集中在开发新型压电材

料!扩展带宽!减少带内延时波动!增大带外衰减!扩充和提高中频点和线性度并使封装尺寸进一步小型化和片式化"

’石英晶体元器件的应用领域

石英晶体元器件主要用于通信!计算机!彩色电视机!钟表!音像制品!其它家用电器!电子玩具!医用电子设备!汽车电子!广播电视设备以及仪器仪表等各个方面"

’1‘通信

石英晶体元器件可大量用于电话终端机!程控交换机!移动电话!无线电话!传呼机!传真机!无线通信!微波通信!卫星通信!通信海缆工程和通信地缆工程"近几年来移动通信作为中国信息产业的支•‘‘•柱产业得到了高速发展Œ据统计Œ‘™™“年中国的移动电话用户为‘“••万户Œ到‘™™˜年底已发展到’”™˜万户Œ’•••年已达到••••万以上Œ’••‘年Œ中

国的移动电话用户将达到’亿"而每部电话需要三种石英晶体产品Œ即温度晶振!石英晶体元件及单片晶体滤波器Œ因此石英晶体元器件的微型化和片式化将大大促进单机的小型化发展"目前中国蜂窝移动通信市场大部分被外国公司占领Œ而这些外国公司的基础元器件也都是从外国直接采购的Œ其整机的国产化率比较低Œ国家每年要花费大量的外汇从国外进口基础晶体元器件"’1’计算机石英晶体元器件可大量用于各类大中型计算机Œ尤其在微机及其周边设备中用量更大"一台多媒体微机大约使用‘•只晶体元器件"在打印机!调制解调器!扫描仪中都要用到晶体元器件"’1“钟表石英晶体元器件进入钟表导致了钟表业的一次革命Œ它使时钟精度提高了几十倍Œ而又使价格和成本大幅度下降Œ从而使钟表业得到空前普及和发展"’1”家用电器石英晶体元件在彩色电视接收机上的主要用途是用于副载频恢复振荡器!计时!制式转换和遥控"在音像制品方面主要用于录像机!摄像机!¶£¤!¤¶¤!£¤!数字像机和数字收音机等"其它家用电器如电冰箱!微波炉!电饭锅!洗衣机!空调等都使用晶体计时"另外Œ石英晶体元器件还可用于电子玩具š如电子游戏机!对讲机!遥控器等"’1•汽车电子在汽车电子方面Œ石英晶体元器件主要用于汽车导向!功能控制!电子地图!电子定位仪和汽车音响系统"’1–医用电子仪器在心脏起搏器!£´机!核磁共振仪!血压计等医用电子仪器仪表中Œ也要大量使用石英晶体元器件"’1—其它石英晶体具有很高的频率稳定性Œ同时对温度和力也很敏感Œ采用石英晶体的测温计的温度分辩率可达到百分之一摄氏度"由于石英晶体对力的敏感更为特殊Œ因此Œ采用石英晶体的力学测量仪器既可以监测地壳的巨大应力Œ又可测出室内烟尘微粒的重量"“石英晶体元器件的市场需求随着电子信息产业的飞速发展和电子整机的小型化!高性能的发展趋势Œ石英晶体元器件的市场需求量还将快速增长"对高档-£¦单片晶体滤波器和´£¸¯温度补偿晶体振荡器的需求量将更大Œ而¨£•”™µ³-型谐振器及³-¤型产品以其体积

小Œ电性能优等技术优势Œ将逐步取代¨£•”™µ及¨£•”™µ•³型产品Œ因而受到世界的极大关注Œ应

用这些产品的重要意义越来越被各企业所认识"目前全世界电子市场对石英晶体元器件的总需求量约为••亿只Œ年增长率为‘•…"在晶体的微型化与表面贴装发展方面Œ‘™™–年Œ日本的石英晶体元器件的片式化率已达’—…Œ片式´£¸¯温度补偿晶体元器件已进入市场"目前表面安装的©£¸¯温度补偿晶体元器件和¶£³¯压控晶体元器件已大量上市Œ日本!菲律宾及中国的台湾!香港等国家和地区都已有此类产品的供应"

中国是一个迅速发展的国家"产业结构正在从劳动密集型向技术型转变"但国内的晶体行业还比较落后Œ虽然年产量不小Œ但分布散乱Œ规模小Œ档次低Œ难以满足石英晶体元器件市场的要求"‘™˜˜年我国压电晶体元器件年产量已达”™••万只Œ人造水晶‘•˜吨Œ销售额‘•–“˜万元Œ利润’–“‘万元Œ出口创汇–—™万美元"到‘™™—年Œ晶体元器件的产量为‘“亿只Œ人造水晶约‘•••吨Œ销售额约‘—亿元Œ出口创汇‘˜•••万美元Œ比‘™˜˜年分别增长’–倍!