40MHz的石英坯料有多厚
來源：http://www.lbfp.com.cn 作者：億金電子 2023年06月16
如標(biāo)題所言，讓我們先來一個小測驗
40MHz的石英坯料有多厚？厚如..
A:一個指甲
B:一張普通的打印紙
C:一根頭發(fā)
自己猜測一下，解決方案將在文本中出現(xiàn)。但首先，讓我們看一下理論:
一般來說，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，諧振頻率越高，所需的石英坯料厚度就越小。這是因為在石英盤的界面之間形成了所謂的駐波。該駐波通過對橫向聲波在厚度方向上傳播的兩個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，可以估計石英板（空白）所需的厚度d，因為石英坯料的厚度平面中應(yīng)適合奇數(shù)個半波長。
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，以便計算共振頻率f。對于AT截面石英，傳播速度v約為3320m/sec。基于此，在給定頻率下所需的厚度d可以估計如下:
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相對較薄的磁盤。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？
我們沒有使用在實(shí)踐中無法實(shí)現(xiàn)的機(jī)械公差，而是使用了一個技巧。這是因為石英坯料的諧振頻率可以通過耦合額外的重量在非常小的范圍內(nèi)受到影響。
要了解這個技巧是如何工作的，重要的是要知道石英坯料可以在兩個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。
石英坯相對表面上的兩個電極具有非常小的質(zhì)量，除了坯料的厚度外，它還會影響諧振頻率。出于這個原因，石英坯料比計算的要薄一些，因為由于電極的額外耦合質(zhì)量，諧振頻率有所下降。
通過濺射工藝施加兩個電極后，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極薄的金屬層。這是使用另一種濺射工藝完成的，同時連續(xù)測量石英盤的諧振頻率。第二個濺射過程相對較慢，一旦達(dá)到確切的標(biāo)稱頻率就會停止。
這種應(yīng)用非常輕微的“技巧” 以有針對性的和單獨(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。因此這種精度將無法通過純機(jī)械加工步驟實(shí)現(xiàn)。技術(shù)支持
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