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40MHz的石英坯料有多厚

来源：http://yijindz.com 作者：亿金电子 2023年06月16

如标题所言，让我们先来一个小测验
40MHz的石英坯料有多厚？厚如..
A:一个指甲
B:一张普通的打印纸
C:一根头发
自己猜测一下，解决方案将在文本中出现。但首先，让我们看一下理论:
一般来说，石英坯料的共振频率与石英板的厚度之间存在成反比关系。
换句话说，谐振频率越高，所需的石英坯料厚度就越小。这是因为在石英盘的界面之间形成了所谓的驻波。该驻波通过对横向声波在厚度方向上传播的两个界面的反射而在石英晶片内部积聚。最大的机械位移是在垂直于波传播方向的石英板平面上。
在谐振频率下，一半声波长的奇数适合石英坯料的厚度平面。因此，毛坯的厚度是AT截面中产生的石英的主要频率决定尺寸。AT截面石英晶体通常在以下频率范围内制造:
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，可以估计石英板（空白）所需的厚度d，因为石英坯料的厚度平面中应适合奇数个半波长。
除了石英坯料的厚度外，还必须考虑声波在石英材料中的传播速度v，以便计算共振频率f。对于AT截面石英，传播速度v约为3320m/sec。基于此，在给定频率下所需的厚度d可以估计如下:
d ≈ n x ½ x v/f with n = 1, 3, 5,…
在基本模式下，将在10.0MHz和40.0MHz的频率下获得以下厚度的石英坯料:
10.0 MHz →d = 166.0μm
40.0 MHz →d = 41.5μm
谐振频率为40MHz的石英坯料为因此是一个相对较薄的磁盘。它的厚度仅为41.5μm，即约0.04毫米。因此，厚度约为人类头发的直径，并且大约是一张纸厚度的十分之一。所以正确答案是C

我们现在如何确保谐振频率的公差仅偏离所需的谐振频率 ±10 ppm（百万分之一）呢
如果我们将其转换为石英坯料的标称厚度，则共振频率的偏差为+/-10ppm，则厚度公差仅为+/-0.415 nm。
即使使用最复杂的机械操作也无法实现这一点。此外，晶振是一种成本非常低的组件，也将用于消费领域。
那么，如何实现这种仅+/-10 ppm的低频容差呢？
我们没有使用在实践中无法实现的机械公差，而是使用了一个技巧。这是因为石英坯料的谐振频率可以通过耦合额外的重量在非常小的范围内受到影响。
要了解这个技巧是如何工作的，重要的是要知道石英坯料可以在两个电极的帮助下被激发振荡。这仅由于压电效应而起作用，我们将在其他地方解释。
石英坯相对表面上的两个电极具有非常小的质量，除了坯料的厚度外，它还会影响谐振频率。出于这个原因，石英坯料比计算的要薄一些，因为由于电极的额外耦合质量，谐振频率有所下降。
通过溅射工艺施加两个电极后，产生的谐振频率仍应略高于最终标称频率。在石英外壳密封之前的最后一个制造步骤中，真正的“技巧”发生了。
它包括在现有电极上施加另一个极薄的金属层。这是使用另一种溅射工艺完成的，同时连续测量石英盘的谐振频率。第二个溅射过程相对较慢，一旦达到确切的标称频率就会停止。
这种应用非常轻微的“技巧” 以有针对性的和单独控制的方式增加质量，谐振频率要设置得非常精确，从而公差谐振频率可达±10 ppm或更高。因此这种精度将无法通过纯机械加工步骤实现。技术支持

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