石英晶體切割：AT、BT、SC、CT

查看石英諧振器的規(guī)格時(shí)，經(jīng)常會(huì)提到石英晶體切割。AT-cut、CT-cut和 SC-cut等術(shù)語的出現(xiàn)與晶體的操作有很大關(guān)系。

石英晶體切割對(duì)晶體諧振器操作的許多方面都有重大影響，對(duì)于獲得所需的性能至關(guān)重要。了解水晶切割是什么以及它如何影響操作是獲得正確整體性能的關(guān)鍵。

不同的電子設(shè)計(jì)使用不同的切口

水晶切割：基礎(chǔ)知識(shí)

石英晶體具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，但所有晶體的結(jié)構(gòu)都是相同的。不同的石英晶體切割是相對(duì)于晶體的主軸（x、y和 z軸）定義的。

有無數(shù)種方法可以相對(duì)于毛坯晶體的 x、y和 z軸進(jìn)行切割，但多年來，人們對(duì)不同切割的特性進(jìn)行了研究，并發(fā)現(xiàn)了可以最大限度地提高其特性的特定切割方法。給定的應(yīng)用和電子電路設(shè)計(jì)。

石英晶體與其他壓電材料一樣具有各向異性。這意味著它的許多特性，包括機(jī)械、電學(xué)和光學(xué)特性，都取決于主晶格的軸。

因此，從主晶體切割石英晶體毛坯的方式的角度限定了最終石英晶體諧振器的許多特性。主要有彎曲模態(tài)、溫度系數(shù)、老化性能、頻率穩(wěn)定性、Q值、活性水平等。

各種“剪切”有不同的名稱，有些在某些應(yīng)用中很流行，有些在其他應(yīng)用中廣泛使用。此外，隨著多年來新削減措施的推出，一些削減措施也已被擱置。

一些基本切割包括沿軸切割。然后根據(jù)它們垂直的平面對(duì)切口進(jìn)行標(biāo)記。

這些削減現(xiàn)在很少使用，因?yàn)槿藗儼l(fā)現(xiàn)其他削減可以為現(xiàn)代應(yīng)用程序提供更好的性能水平。

在當(dāng)今 RF和時(shí)鐘應(yīng)用所使用的切割中，AT、BT和 SC切割是迄今為止最重要的。

石英晶體切割的發(fā)展

石英晶體在 20世紀(jì) 20年代初和 20世紀(jì) 30年代初期被廣泛用于發(fā)射機(jī)。與原本使用的 LC振蕩器相比，它們的穩(wěn)定性有了顯著提高。即使對(duì) LC振蕩器的穩(wěn)定性進(jìn)行了優(yōu)化，石英晶體的性能也明顯更好。

20年代末，美國(guó)、德國(guó)和日本的一些研究小組發(fā)現(xiàn)，早期廣泛使用的Y切割的溫度系數(shù)可以得到顯著改善，甚至在某些溫度下可以為零。

為了開發(fā)這些電子元件，我們進(jìn)行了大量研究，考慮到與今天相比，我們的能力有限，因此開發(fā)它們需要時(shí)間。

1934年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的 Lack和 Willard開發(fā)了 AT切割晶體，并在 1934年 7月版的貝爾實(shí)驗(yàn)室雜志上發(fā)表了一篇論文，題為“石英晶體電路元件的一些改進(jìn)”。

他們的另一項(xiàng)開發(fā)成果是 BT切割晶體，它也具有許多良好的特性，但并未得到廣泛應(yīng)用。

盡管 SC切割石英晶體在 20世紀(jì) 70年代開始出現(xiàn)用于水晶爐等，但 AT切割石英晶體至今仍是使用最廣泛的類型。它由 Holland博士于 1974年首次提出。美國(guó)陸軍通信兵隊(duì)的 E. EerNisse在 1975年發(fā)表的一篇論文預(yù)測(cè)，坐標(biāo)為 φ = 22.5°和 θ = -34.3°的諧振器將產(chǎn)生頻率變化較低的諧振器，因?yàn)闄C(jī)械應(yīng)力。這就產(chǎn)生了 SC（應(yīng)力補(bǔ)償）這一名稱。

主要水晶切工總結(jié)

可以定義無限數(shù)量的晶體切割。然而，有些已經(jīng)定義了特別有用的屬性，并且這些切割已被賦予特定的名稱。

• AT切割： 石英晶體的AT切割通常用于0.5至300MHz之間的頻率，并且具有厚度剪切振動(dòng)模式。

它是使用最廣泛的切割，特別用于電子儀器等，其中要求振蕩器在 500 kHz至 300 MHz左右的范圍內(nèi)運(yùn)行，盡管隨著技術(shù)的發(fā)展，上限正在增加。

鑒于其受歡迎程度和廣泛使用，AT切割的更多細(xì)節(jié)如下所示。

• BT切割： 這是與 AT切割類似的另一種切割，以厚度剪切模式振動(dòng)，通常用于 0.5至 200 MHz的頻率。

它使用不同的角度：與 z軸成 49°。它提供可重復(fù)的特性，頻率常數(shù)為 2.536 MHz/mm。然而，溫度穩(wěn)定性特性不如AT cut，但由于其較高的頻率常數(shù)，可以更容易地用于較高頻率的操作。

• GT切割： 石英晶體的 GT切割通常用于約 0.1至 2.5 MHz之間的頻率，并且使用寬度延伸振動(dòng)模式。

它以51°7'的角度切割，由于具有不同溫度系數(shù)的兩種振動(dòng)模式相互抵消的影響，在+25°C和+75°C之間具有幾乎為零的溫度系數(shù)。

• IT切割： 此切割使用厚度剪切模式，用于約 0.5至 200 MHz之間的頻率。

這種水晶切工與 SC非常相似。然而，由于晶體爐需要在 80 - 90°C范圍內(nèi)工作，此選項(xiàng)克服了在這些溫度下使用 SC的困難。IT切割的上轉(zhuǎn)點(diǎn)介于 85至 105°C之間，但它不具有 SC的較低機(jī)械應(yīng)力敏感性水平。

• SC切割： 這種水晶切割用于約 0.5至 3200 MHz之間的頻率。

這種切割是在 20世紀(jì) 70年代末開發(fā)的，專門用于精密水晶爐，但它確實(shí)需要更復(fù)雜的制造工藝，因?yàn)樾枰p角度旋轉(zhuǎn)以及隨后的精密研磨。

鑒于其重要性，下文將給出有關(guān)此次削減的更多細(xì)節(jié)。

• XY切割： 這種切割本質(zhì)上是一種晶體切割格式，用于頻率通常在 5至 100 kHz之間的低頻應(yīng)用。它采用長(zhǎng)寬彎曲模式。

這種水晶切割廣泛用于低頻，其中一個(gè)常見頻率是 32.768 kHz。它的優(yōu)點(diǎn)是頻率非常小，比其他低頻晶體類型便宜，此外它還具有低阻抗和低 Co/C1比。

AT石英晶體切割

AT切割應(yīng)用最廣泛，尤其適用于電子儀器、無線電系統(tǒng)、微處理器時(shí)鐘以及需要振蕩器在 500 kHz至 300 MHz左右范圍內(nèi)運(yùn)行的許多其他應(yīng)用。隨著技術(shù)的發(fā)展，上限正在增加。然而，頂部頻率通常以泛音模式工作，因?yàn)榫w在高頻下變得非常薄。

如圖所示，該石英晶體與 Z軸成 35° 25'角切割。晶體毛坯沿晶軸方向切割，然后將毛坯機(jī)加工并精加工至所需尺寸。

這種石英晶體切割的優(yōu)點(diǎn)之一是溫度系數(shù)。在 26°C時(shí)該值變?yōu)榱悖踔疗鋬蓚?cè)也相對(duì)平坦，尤其是與其他切割相比。

AT切割晶體溫度系數(shù)隨溫度的變化

盡管對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，通常使用 AT切割的精確參數(shù)，但稍微改變?cè)撝档那懈罱嵌葧?huì)稍微改變屬性。

BT石英晶體切割

BT切割水晶與 AT切割水晶大約在同一時(shí)間推出。它比同等 AT切割晶體厚約 50%，并且仍然使用厚度剪切模式。

然而，越厚，晶體就越厚，因此在更高的頻率下就越堅(jiān)固——正如所預(yù)料的那樣，晶體隨著頻率的增加而變得更薄。

然而，它的缺點(diǎn)是它的溫度特性比 AT切割石英晶體差，這是由于較高的頻率常數(shù)造成的。即便如此，BT切割晶體仍用于較高頻率的應(yīng)用，特別是需要基頻操作而不是泛音操作的情況。

SC石英晶體切割

SC用于描述這種類型的石英晶體切割，代表“應(yīng)力補(bǔ)償”。它是專門為精密晶體爐而開發(fā)的，其中一些關(guān)鍵要求是對(duì)熱和機(jī)械應(yīng)力的低敏感性。

另一個(gè)重要因素是 SC切割晶體提供良好的相位噪聲和老化特性。恒溫晶體振蕩器 (OCXO)通常所需的特性。

此切割使用基本軸的雙重旋轉(zhuǎn)：35°15'和 21°54'。雖然它具有出色的老化和穩(wěn)定性特性以及出色的相位噪聲性能，但它具有較高的 ESR，并且更容易受到寄生諧振的影響。

SC切割的困難之一是它在制造過程中產(chǎn)生困難，因?yàn)?SC切割中使用的復(fù)合角度的要求增加了測(cè)量角度以及隨后在后續(xù)研磨和拋光過程中維護(hù)角度的成本。SC切割的公差很嚴(yán)格。它們通常需要 ±10"的公差，而 AT切割則需要 ±30"的公差。

有很多水晶切割可供選擇。一些多年前可用和使用的技術(shù)已經(jīng)不再使用，因?yàn)樗鼈円驯滑F(xiàn)在采用更先進(jìn)的制造技術(shù)的高級(jí)切割技術(shù)所取代。