一、前言
晶體振蕩器作為核心頻率控制元件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備，安防監(jiān)控設(shè)備，醫(yī)療設(shè)備，汽車(chē)電子設(shè)備，智能家居設(shè)備等領(lǐng)域，從宏觀視角審視，全球信息化基礎(chǔ)設(shè)施的構(gòu)建與晶體振蕩器的發(fā)展存在本質(zhì)關(guān)聯(lián)。本文將系統(tǒng)解析晶體振蕩器從壓電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)至納米級(jí)封裝的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)，揭示其如何通過(guò)四次產(chǎn)業(yè)革命推動(dòng)人類(lèi)科技進(jìn)程。

二、晶振的發(fā)展歷史

1.晶振的技術(shù)啟蒙期

1880年，居里兄弟Jacques和Pierre Curie，研究石英水晶片時(shí)，發(fā)現(xiàn)在晶片上施加機(jī)械應(yīng)力時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電荷的偏移，提出壓電效應(yīng)這個(gè)概念。

壓電效應(yīng)原理：如果對(duì)壓電材料施加壓力，它便會(huì)產(chǎn)生電位差（稱(chēng)之為正壓電效應(yīng)），反之施加電壓，則產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力（稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)）。如果壓力是一種高頻震動(dòng)，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號(hào)加在壓電陶瓷上時(shí)，則產(chǎn)生高頻聲信號(hào)（機(jī)械震動(dòng)），這就是我們平常所說(shuō)的超聲波信號(hào)。

1918年，朗之萬(wàn)研究了使用從石英晶體切割的板來(lái)開(kāi)發(fā)用于探測(cè)潛艇的早期聲納系統(tǒng)。

聲納系統(tǒng)原理：就是將多種聲吶功能有機(jī)結(jié)合在一起，對(duì)信息進(jìn)行綜合處理和集中控制，以滿(mǎn)足多種戰(zhàn)術(shù)使用要求的系統(tǒng)。主要功能包括噪聲測(cè)向、回聲測(cè)距、聲吶脈沖偵測(cè)、目標(biāo)識(shí)別和魚(yú)雷報(bào)警等。在這項(xiàng)工作中，朗之萬(wàn)使用X切割石英板來(lái)生成并檢測(cè)水中的聲波。

1921年，衛(wèi)斯理大學(xué)的凱蒂WG Cady教授為石英晶體振蕩器申請(qǐng)了專(zhuān)利。

對(duì)于這項(xiàng)專(zhuān)利，他使用石英晶體諧振器來(lái)控制振蕩器的頻率，他還描述了使用石英條和板作為頻率標(biāo)準(zhǔn)和濾波器。因此，人們普遍認(rèn)為，凱蒂是第一個(gè)使用石英晶體來(lái)控制振蕩器電路頻率的人。

1923年，哈佛大學(xué)教授GW Pierce開(kāi)發(fā)了一種晶體振蕩器電路，該電路將晶體放置在閥門(mén)/真空管的柵極和陽(yáng)極之間。這是皮爾斯振蕩器配置的前身。

1925年，西屋電氣為他們的廣播電臺(tái)KDKA的主振蕩器安裝了一個(gè)晶體振蕩器。

范戴克開(kāi)發(fā)了石英晶體諧振器的等效電路。石英諧振器的等效電路，有兩個(gè)諧振頻率，一個(gè)是串聯(lián)諧振頻率fS，它是Lg、Cg、Rg支路諧振時(shí)的頻率。即：另一個(gè)是并聯(lián)諧振頻率fp，它是等效電路的諧振頻率。即：由于Cg

1926年，Y切割晶體首先被發(fā)現(xiàn)和使用。直到此時(shí)，X切割石英晶體一直是唯一使用的形式。發(fā)現(xiàn)雖然X切割晶體的溫度系數(shù)約為-20ppm/°C，而Y切割晶體的溫度系數(shù)約為+100ppm/°C，但它表明不同晶片的切割方式可能呈現(xiàn)不同的溫度系數(shù)。

1927年，貝爾實(shí)驗(yàn)室的沃倫·馬里森開(kāi)發(fā)的第一個(gè)石英晶體振蕩器標(biāo)準(zhǔn)。

1928年，貝爾電話(huà)實(shí)驗(yàn)室的沃倫·馬里森(Warren Marrison)開(kāi)發(fā)了第一個(gè)石英晶體時(shí)鐘。Quartz時(shí)鐘取代了精密擺鐘 ，成為 世界上最精確的計(jì)時(shí)器（原子鐘）。

其原理是利用原子吸收或釋放能量時(shí)發(fā)出的電磁波來(lái)計(jì)時(shí)的。原子鐘的計(jì)時(shí)裝置，精度可以達(dá)到每2000萬(wàn)年才誤差1秒，目前世界上最準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具就是原子鐘。

1934年，石英晶體諧振器的AT和BT切割首次出現(xiàn)。這些切口是由美國(guó)的拉克、威拉德和費(fèi)爾、日本的古賀以及德國(guó)的貝克曼和斯特勞貝爾獨(dú)立發(fā)現(xiàn)的。

2.晶振的研發(fā)期：晶振實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)

1950年，開(kāi)發(fā)出原子鐘 ，石英時(shí)鐘在30年內(nèi)的精度最高為1秒(30ms / yr)貝爾實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種用于以商業(yè)規(guī)模生長(zhǎng)石英晶體的水熱工藝。

1956年，合成生長(zhǎng)的石英變得廣泛可用。

3.晶振的發(fā)展期：批量化規(guī)?；l(fā)展由軍用轉(zhuǎn)民用

1968年，北美航空的Juergen Staudte發(fā)明了制造石英晶體振蕩器的光刻工藝。這使它們能夠做得足夠小，可以用于手表等便攜式產(chǎn)品。

1970年，電子產(chǎn)品中幾乎所有的晶體都是合成的。

1976年，第一個(gè)SC切割晶體可用。它們主要用于恒溫晶體振蕩器，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶@些恒溫晶體振蕩器工作的溫度下具有最佳溫度系數(shù)。

4.晶振迅速發(fā)展期：電子產(chǎn)品多樣化應(yīng)用多元化

1990到至今在，30多年來(lái)，石英晶振發(fā)展方向從DIP到SMD小尺寸，封裝由傳統(tǒng)的金屬外殼向覆蓋塑料、金屬和陶瓷封裝的轉(zhuǎn)變；精度、頻率也越來(lái)越高，工藝要求越發(fā)精細(xì)化；使用范圍也從單一應(yīng)用領(lǐng)域到如今5G、物聯(lián)網(wǎng)、汽車(chē)電子、智慧醫(yī)療、智能家電等多元化場(chǎng)景。

三、總結(jié)：

1880～1956年的70多年是石英晶振的起步期，這個(gè)時(shí)期內(nèi)創(chuàng)新人才輩出，深遠(yuǎn)影響的發(fā)明層出不窮。石英晶振經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展才發(fā)展到今天的地步，科技進(jìn)步不可能一撮而就，它是一個(gè)逐步認(rèn)識(shí)、發(fā)現(xiàn)和成熟的過(guò)程。