Ø 石英元件(石英晶体/石英晶体谐振器)概述

石英晶体谐振器（英文：Quartz Crystal Unit或Quartz Crystal Resonator，常简写成X'TAL），简称石英晶体。 是利用石英（又称水晶）的压电效应，用来产生高精度振荡频率的一种电子元件，属于被动元件。

石英晶体的用途是什么呢？ 当电子设备在集成电路（IC）上运行时，IC需通过参考时脉做为IC系统讯号使用，石英晶体就像是时钟的基础信号源。

如果以人体为例，可以把石英晶体想象为心脏跳动时的血液频率和脉搏率。

◎ 石英(水晶)的特性：

 石英有天然石英和人工石英。 天然石英和人工石英均为多面体形状。

目前电子元件所使用的主要是人工石英材料，主要成分为氧化硅之结晶体SiO₂，同时具有（正）压电效应以及逆压电效应的物理特性。

由于石英晶体同时存在（正）压电效应以及逆压电效应，进而形成周期性振动，所以利用此效应可得到石英晶体振动频率。

（正）压电效应，当施加压力在石英表面时，石英表面的两边会产生正电位和负电位，若将压力改为拉力时，石英表面两边的电位会互换，而对于此物理现象，称之为压电效应，压电效应是一种机电能量互换的现象。

 而逆压电效应，则是以电能输入使之产生机械能或位移（形变）的输出。

如果把交变电压施加到石英芯片两面之间的电极时，当交变电压的频率与石英芯片固有频率一致

时，通过逆压电效应，芯片便会产生机械振动，同时又通过正压电效应而输出电信号，如此交互

的动作下持续产生频率，而石英材料的压电效应是有方向性的，只在电气轴方向才具有压电效应。

而具有这种特性的材料，我们称为压电材料，所以石英元件也称为压电元件。

◎   石英（水晶）切割方式与振动模式：

而石英组件是采用人工水晶作为基本原料，而人工水晶会依各个结晶轴而呈现不同的增长速度，

所以外型与我们一般常见的天然石英也有所不同。

石英晶体依照切割角度的不同，会得到不同的振动模式。 其切割角度方向如图1所示。

图1. 在Z-plate石英结构上，有几种不同角度的切割方式

 

而其中从Z轴以35° 15'的角度切割后所得的石英芯片，便称为AT Cut石英晶体（谐振器），以厚度

切变进行振荡动作;而BT Cut则是以-45°的角度切割后所得的元件。

AT和BT石英晶体切割方式，其频率范围和频率系数（石英芯片厚度和振荡频率间关系）如表1。

表1. 芯片厚度与频率的关系

 

石英晶体的频率温度特性，依其曲线形状分为两种类型;一个是三次曲线，另一个是二次抛物曲线。 AT 和 BT 切割方式的频率温度特性曲线，则分别显示在图 2。 然而与AT Cut相较之下，BT Cut在温度特性精确度上较为不足，因此现在几乎已不再使用此种切割方式。 目前采用AT Cut 切割方式的石英晶体使用最为广泛，因为它们能够根据在以室温为基准的温度范围内，产生更小因为温度变化所产生的频率误差变化量。

 

- 不同切割模式下频率变化与温度关系

 

图2. 温度特性曲线

（左图为AT-Cut切割方式;右图为BT-Cut切割方式）

 

- 按振动模式的区分

目前多以AT cut切割方式为主，故以AT Cut为例说明，如图 3所示。    

图3. 厚度切变振动模式 （AT-Cut， Thickness shear vibration）

◎石英晶体组件等效电路
图4为石英晶体组件简化后的等效基本电路。

图4. 石英晶体等效电路

 - 串联电阻（R1）：Equivalent Series Resistance

石英晶体的等效串联电阻是以奥姆为单位（kHz range产品，单位为kΩ ; MHz range产品，单位

为Ω）。 在等效电路中的串联电感（L1），和串联电容（C1），两个是相位相反（差180°）的相等阻抗。

在有负载的振荡电路时其结果是相互抵消的，只剩下电阻（R1）特性，来形成串联谐振。

在串联谐振量测石英晶体阻抗（CI， Crystal Impedance）时，通常会称此为等效串联谐振电阻（ESR），

代表振荡能源的损耗（如振荡时所产生的内部摩擦、与石英芯片维持相关的机械性损耗）。

 

-等效串联电感（L1）：Equivalent Series Inductance

石英晶体本身物理性质，与谐振频率有关，代表振荡部位的质量。

又称为动态电感（Motional Inductance）。

 

-等效串联电容（C1）：Equivalent Series Capacitance

石英晶体本身物理性质，与谐振频率有关，代表石英芯片的顺应性

(Compliance)， 所以又称为动态电容（Motional Capacitance）。

 

- 并联电容（C0）：Shunt Capacitance

石英芯片的两面电极间的静电电容，并联电容的特性表示与石英的介电系

数、石英芯片两电极的面积大小，以及石英芯片基座的杂散电容量有关，

             由于与晶体谐振频率无直接关连，又称为（静态电容，Static Capacitance）。