石英晶體切割：AT、BT、SC、CT

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

石英晶體切割對晶體諧振器操作的許多方面都有重大影響，對于獲得所需的性能至關重要。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鍵。

不同的電子設計使用不同的切口

水晶切割：基礎知識

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

有無數(shù)種方法可以相對于毛坯晶體的 x、y和 z軸進行切割，但多年來，人們對不同切割的特性進行了研究，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。給定的應用和電子電路設計。

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，包括機械、電學和光學特性，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，有些在某些應用中很流行，有些在其他應用中廣泛使用。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)它們垂直的平面對切口進行標記。

這些削減現(xiàn)在很少使用，因為人們發(fā)現(xiàn)其他削減可以為現(xiàn)代應用程序提供更好的性能水平。

在當今 RF和時鐘應用所使用的切割中，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 20年代初和 20世紀 30年代初期被廣泛用于發(fā)射機。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 LC振蕩器的穩(wěn)定性進行了優(yōu)化，石英晶體的性能也明顯更好。

20年代末，美國、德國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)它們需要時間。

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

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

盡管 SC切割石英晶體在 20世紀 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。美國陸軍通信兵隊的 E. EerNisse在 1975年發(fā)表的一篇論文預測，坐標為 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，因為機械應力。這就產(chǎn)生了 SC（應力補償）這一名稱。

主要水晶切工總結

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)運行，盡管隨著技術的發(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，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，此選項克服了在這些溫度下使用 SC的困難。IT切割的上轉(zhuǎn)點介于 85至 105°C之間，但它不具有 SC的較低機械應力敏感性水平。

• 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 70年代末開發(fā)的，專門用于精密水晶爐，但它確實需要更復雜的制造工藝，因為需要雙角度旋轉(zhuǎn)以及隨后的精密研磨。

鑒于其重要性，下文將給出有關此次削減的更多細節(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之間的低頻應用。它采用長寬彎曲模式。

這種水晶切割廣泛用于低頻，其中一個常見頻率是 32.768 kHz。它的優(yōu)點是頻率非常小，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切割應用最廣泛，尤其適用于電子儀器、無線電系統(tǒng)、微處理器時鐘以及需要振蕩器在 500 kHz至 300 MHz左右范圍內(nèi)運行的許多其他應用。隨著技術的發(fā)展，上限正在增加。然而，頂部頻率通常以泛音模式工作，因為晶體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，然后將毛坯機加工并精加工至所需尺寸。

這種石英晶體切割的優(yōu)點之一是溫度系數(shù)。在 26°C時該值變?yōu)榱悖踔疗鋬蓚?cè)也相對平坦，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

盡管對于大多數(shù)應用，通常使用 AT切割的精確參數(shù)，但稍微改變該值的切割角度會稍微改變屬性。

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固——正如所預料的那樣，晶體隨著頻率的增加而變得更薄。

然而，它的缺點是它的溫度特性比 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“應力補償”。它是專門為精密晶體爐而開發(fā)的，其中一些關鍵要求是對熱和機械應力的低敏感性。

另一個重要因素是 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，因為 SC切割中使用的復合角度的要求增加了測量角度以及隨后在后續(xù)研磨和拋光過程中維護角度的成本。SC切割的公差很嚴格。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已經(jīng)不再使用，因為它們已被現(xiàn)在采用更先進的制造技術的高級切割技術所取代。