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首頁(yè)企業(yè)博客 40MHz的石英坯料有多厚

40MHz的石英坯料有多厚

來(lái)源：http://eitherspanlaw.com 作者：億金電子 2023年06月16

如標(biāo)題所言，讓我們先來(lái)一個(gè)小測(cè)驗(yàn)
40MHz的石英坯料有多厚？厚如..
A:一個(gè)指甲
B:一張普通的打印紙
C:一根頭發(fā)
自己猜測(cè)一下，解決方案將在文本中出現(xiàn)。但首先，讓我們看一下理論:
一般來(lái)說(shuō)，石英坯料的共振頻率與石英板的厚度之間存在成反比關(guān)系。
換句話說(shuō)，諧振頻率越高，所需的石英坯料厚度就越小。這是因?yàn)樵谑⒈P的界面之間形成了所謂的駐波。該駐波通過(guò)對(duì)橫向聲波在厚度方向上傳播的兩個(gè)界面的反射而在石英晶片內(nèi)部積聚。最大的機(jī)械位移是在垂直于波傳播方向的石英板平面上。
在諧振頻率下，一半聲波長(zhǎng)的奇數(shù)適合石英坯料的厚度平面。因此，毛坯的厚度是AT截面中產(chǎn)生的石英的主要頻率決定尺寸。AT截面石英晶體通常在以下頻率范圍內(nèi)制造:
1MHz~60MHz，在基波模式下工作
30MHz~250MHz，在泛音模式下工作（第3次、第5次、第7次、第9次泛音）
如前所述，可以估計(jì)石英板（空白）所需的厚度d，因?yàn)槭⑴髁系暮穸绕矫嬷袘?yīng)適合奇數(shù)個(gè)半波長(zhǎng)。
除了石英坯料的厚度外，還必須考慮聲波在石英材料中的傳播速度v，以便計(jì)算共振頻率f。對(duì)于AT截面石英，傳播速度v約為3320m/sec?；诖耍诮o定頻率下所需的厚度d可以估計(jì)如下:
d ≈ n x ½ x v/f with n = 1, 3, 5,…
在基本模式下，將在10.0MHz和40.0MHz的頻率下獲得以下厚度的石英坯料:
10.0 MHz →d = 166.0μm
40.0 MHz →d = 41.5μm
諧振頻率為40MHz的石英坯料為因此是一個(gè)相對(duì)較薄的磁盤。它的厚度僅為41.5μm，即約0.04毫米。因此，厚度約為人類頭發(fā)的直徑，并且大約是一張紙厚度的十分之一。所以正確答案是C

我們現(xiàn)在如何確保諧振頻率的公差僅偏離所需的諧振頻率 ±10 ppm（百萬(wàn)分之一）呢
如果我們將其轉(zhuǎn)換為石英坯料的標(biāo)稱厚度，則共振頻率的偏差為+/-10ppm，則厚度公差僅為+/-0.415 nm。
即使使用最復(fù)雜的機(jī)械操作也無(wú)法實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。此外，晶振是一種成本非常低的組件，也將用于消費(fèi)領(lǐng)域。
那么，如何實(shí)現(xiàn)這種僅+/-10 ppm的低頻容差呢？
我們沒(méi)有使用在實(shí)踐中無(wú)法實(shí)現(xiàn)的機(jī)械公差，而是使用了一個(gè)技巧。這是因?yàn)槭⑴髁系闹C振頻率可以通過(guò)耦合額外的重量在非常小的范圍內(nèi)受到影響。
要了解這個(gè)技巧是如何工作的，重要的是要知道石英坯料可以在兩個(gè)電極的幫助下被激發(fā)振蕩。這僅由于壓電效應(yīng)而起作用，我們將在其他地方解釋。
石英坯相對(duì)表面上的兩個(gè)電極具有非常小的質(zhì)量，除了坯料的厚度外，它還會(huì)影響諧振頻率。出于這個(gè)原因，石英坯料比計(jì)算的要薄一些，因?yàn)橛捎陔姌O的額外耦合質(zhì)量，諧振頻率有所下降。
通過(guò)濺射工藝施加兩個(gè)電極后，產(chǎn)生的諧振頻率仍應(yīng)略高于最終標(biāo)稱頻率。在石英外殼密封之前的最后一個(gè)制造步驟中，真正的“技巧”發(fā)生了。
它包括在現(xiàn)有電極上施加另一個(gè)極薄的金屬層。這是使用另一種濺射工藝完成的，同時(shí)連續(xù)測(cè)量石英盤的諧振頻率。第二個(gè)濺射過(guò)程相對(duì)較慢，一旦達(dá)到確切的標(biāo)稱頻率就會(huì)停止。
這種應(yīng)用非常輕微的“技巧” 以有針對(duì)性的和單獨(dú)控制的方式增加質(zhì)量，諧振頻率要設(shè)置得非常精確，從而公差 諧振頻率可達(dá)±10 ppm或更高。因此這種精度將無(wú)法通過(guò)純機(jī)械加工步驟實(shí)現(xiàn)。技術(shù)支持
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