根据调查发现，现在市场上比较受欢迎的频率控制元器件，是小体积贴片型的石英晶体，拆开任何电器或电子产品，都可以在电路板上找到它。而且现在的尺寸也越做越小，虽然像1.6*1.0mm，1.2*1.0mm，1.0*0.8mm这些还没完全实现量产，也没有大量投放使用，但未来这些小封装很可能会风靡整个市场。目前客户主要用到的封装，仍然是5032晶振，3225晶振，2520晶振和2016晶振这些封装。

随着个人通信的需求，诸如蜂窝电话和全球定位系统（GPS）的无线装置变得更小和更轻，尺寸和功耗是小型化便携式电子装置中的组件的主要关注点。为了回应这一趋势，电路-音叉晶体/振荡器的核心现在从7mmx5mm减小到2mmx1.6mm，并将进一步缩小。然而，尺寸减小也牺牲了谐振器的晶体阻抗和Q值。捕获AT切石英板的厚度剪切振动能量可以保持低频或较厚谐振器的性能。捕获振动能量的最常见方式是将平面石英板倾斜成凸平面或凸凸面板。台湾晶体公司研究了能量捕获效应的分析和模拟。捕获能量和解耦不需要的模式的另一种方法是通过阶梯电极。

在本文中，我们采用阶梯电极和斜角方法来捕获空白电极下方中心区域的振动能量，以保持低晶体阻抗和高Q值。我们设置了四组具有不同电极和斜角条件的坯料，以验证阶梯电极的效果。这些实验基于3.2mmx2.5mm尺寸和15MHz频率的毛坯。实验结果表明，适当的阶梯式电极设计可以获得良好的能量捕获效果。

随着石英谐振器的尺寸不断缩小，平面石英晶体的斜角需要降低安装损耗并维持能量捕获，从而具有较低的振动运动阻力。然而，对于小尺寸和低频率的石英晶体来说，斜切过程是耗时且难以控制的。近年来，对阶梯电极（a.k.abi-mesa电极）的研究开始出现。据信，平面晶体上的阶梯电极可以像斜面晶体一样完成能量捕获的部分工作。在本文中，我们报告我们自己的阶梯电极的研究，具有以下配置-平面晶体上的单层电极，平面晶体上的阶梯电极，斜面晶体上的单层电极和斜面晶体上的阶梯电极。本研究的载体是15MHz 3225晶振。初步结果表明，阶梯电极可以提供一定程度的能量捕获作为斜面晶体。

无限切割石英板的能量捕获：

能量捕获理论基于驻波原理，即谐振只能发生在截止频率以上的频率。当我们考虑具有厚度t的无限AT切割板时，其基本厚度剪切共振频率为：

其中c'是AT切割石英板的刚度常数，ρ是石英的密度。如果我们在由未电镀区域B围绕的指定区域A中的石英板上镀电极，则电极的质量负载效应使得区域A的有效厚度等于t'。电极区域的频率是：

电极区域A和未电镀区域B的截止频率分别为fE和fB。频率高于fE且低于fB的波可以存在于区域A中，因为低于fB的频率不能离开未电镀区域。具有fE和fB之间频率的区域A中的波被全反射成为驻波。如果这些波被正确的频率激发，就会产生刺激。频率高于fB的波向外朝向未电镀区域行进并且不被反射以形成驻波。为了抑制具有圆形电极的谐振器中的所有非谐波泛音模式，我们有：

其中n是泛音数，d是圆形电极的直径。

实验结果：

斜面和阶梯状电极石英晶体板的示意图如图1和2所示。

图1.阶梯式电极石英板的草图

图2.斜面石英板的草图

我们设置了四组具有不同阶梯电极和斜切条件的芯片，以验证阶梯电极的效果。本研究的车辆均为3.2mmx2.5mm尺寸的15MHz谐振器。各组的条件列于表1中。

表1.每组的阶梯电极和斜角条件

第一组中的坯料镀有一个金属电极层（1.19*2.28mm2）但没有斜面。第二组中的坯料镀有两个金属电极层（1.19*2.28mm2和0.8*1.65mm2），但没有斜面。第三组中的坯料镀有一个金属电极层（1.19*2.28mm2）并具有适当的斜面。最后一组中的坯料镀有两个金属电极层（1.19*2.28mm2和0.8*1.65mm2）并具有适当的斜面。我们使用每组中Quartz Crystal的等效串联电阻（ESR）作为能量捕获效率的指标。每组的ESR（消除轮廓线）列于Table2中。

表2.每组ESR的平均值和标准偏差

MINITAB对每组ESR的统计分析见图3至6。

图3.组＃1的ESR统计分析

图4.组＃2的ESR统计分析

图5.组＃3的ESR统计分析

图6.组＃4的ESR统计分析

对于低频或厚石英板，需要捕获高Q值和低晶体阻抗的振动能量。斜角是实现此目的的一种非常有效的方法。然而，在微型谐振器中，倾斜石英板是耗时且难以控制的。通过本研究的实验结果，在没有斜面的石英板上施加阶梯电极可以明显降低ESR。即使对于斜面晶体，阶梯式电极也可以集中ESR特性并使质量更稳定。通过适当设计每个电极的层数，面积和厚度，可以更加降低晶体阻抗，以适应振荡器电路的需求。在微型压电石英晶体中，阶梯式电极是斜角或独立地完成能量捕获工作的良好选择。

实验结果表明，只有一个电极但没有正确斜面的空白（组＃1）具有最高的ESR。这意味着＃1组中的芯片只能捕获少量的振动能量。具有两个阶梯式金属电极但没有斜面（组＃2）的坯料具有较低的ESR，其仅为组＃1的28％。组＃3的ESR（具有适当斜角和仅一个电极层的空白）仅为组＃1的5％。第4组告诉我们，当我们将阶梯电极应用在斜面石英板上时，我们可以进一步降低ESR。由于具有适当斜角的石英板的ESR已经非常低，阶梯电极只能增强一些阻抗特性。然而，如果我们比较组＃3的ESR标准偏差和分布与组＃4的分布，我们可以发现阶梯电极使ESR特性更集中，并且它有利于控制石英晶体谐振器的质量。

以上就是本次实验的过程及结果，由TXC晶振公司完成并提供资料，金洛鑫电子整理后分享给大家，更多的晶振资讯和技术资料，可以收藏关注金洛鑫电子官方网站，每天都会更新内容，带你了解更多关于晶振的知识和信息。