人类研究石英晶体及石英水晶已经有一百多年的历史了，AT切割的谐振器因为方法简单，而且可以满足常用封装的要求，被广泛应用到晶体生产中。使用AT切割的石英晶体谐振器通常是低频的，常见的低频有8.000MHz，12.000MHz，16.000MHz，20.000MHz，24.000MHz，32.000MHz等频率。但今天我们用来做研究和实验的频率，并不是这些频点的其中之一，而是比较少人用但不是没用的50.000MHz和54.000MHz。通过能量捕获提高第三谐波谐振器性能的基本TS现代阻抗的研究，接下来是TXC晶振公司的实验过程，结果与结论。

AT切割石英晶体谐振器广泛用于现代电路中。从家庭娱乐设备，PC，笔记本电脑到个人便携式设备等，石英谐振器通常向中央处理单元（CPU）提供准确的频率信号，如心跳。由于无线和通信的进步，更高频率的源对于提高通信速度和质量越来越重要。由于ATcut石英的频率到温度稳定性，厚度剪切模式（TS模式）是石英水晶振动子的主要模式。在TS模式中，频率与板的厚度成反比。板越薄，频率越高。然而，较薄的板意味着石英芯片的成本较高，因为脆性材料研磨很难。有几种方法可以通过低频石英谐振器获得更高频率的信号源。使用高泛音模式是经济方法之一。

石英谐振器广泛用作电子设备的频率源。AT切割石英板的主要模式是厚度剪切模式，其频率与板厚度成反比。由于夹层结构，AT晶体谐振器中仅存在奇数厚度剪切泛音。通常，基模的振幅大于所有泛音的振幅。这意味着基模的效应串联电阻最低。在本文中，基本和第三泛音的不同能量俘获效应被用来控制这两种模式的电阻比。两种5.0*3.2mm尺寸的谐振器，50MHz和54MHz三次谐波（基频模式频率分别为16.67MHz和18MHz），制成不同的斜切芯片。与第三泛音相比，基模具有更长的波长和更强的穿透能力，通过安装端吸收能量。实验数据表明，适当的斜切可以减少三次谐波的能量通量，但允许一些基本能量的能量通量向外传播。然后可以控制这两种模式的电阻比。

由于电边界条件，只能存在TS模式的奇数，第3，第5......等。基本模式的抵抗力最低，并且泛音的抵抗力更高。如果振荡电路被设计为激励第三泛音，而不是基本模式，则它是一个三维贴片石英晶振。这种谐振器的频率可以提高3倍，但电阻也会提高。它依赖于振荡电路的负阻调节来抑制基模。然而，由于过程温度变化，IC负电阻将是方差，并且基模可能导致谐波噪声降低信号性能。如果基本模式的电阻可以设计得高于第三泛音的电阻，那么它是一个更好的第三泛音谐振器，因为IC可以更容易地激发第三泛音模式，干扰更少。

精美的石英芯片和能量捕获：

斜面石英芯片是一种边缘较薄的水晶板。斜角有两个主要目的。一种是将振动能量捕获在中心区域以减少安装损失，另一种是从不需要的模式“移开”。本文侧重于前者。

图1.带有安装胶的斜面石英芯片示意图

图1显示石英谐振器是电极-石英-电极结构，如夹层结构。带电极的中心区域比其他区域厚，甚至是没有斜角的扁平芯片。能量可以被困在中心，因为中心的截止频率低于周围的截止频率。波在外面传播时会衰减。轮廓芯片可以增强低频（思想板和更长波长）谐振器中的能量捕获效应。

位移场模拟：

在本节中，我们模拟了两个第三泛音谐振器的位移场，50MHz和54MHz，平面和等高石英芯片。这两个谐振器的尺寸为50MHz：石英芯片-3.5*1.78mm2;电极-2.31*1.19mm254MHz：石英芯片-3.5*1.775mm2;电极-2.24*1.12平方毫米。

图2.两个第三泛音谐振器的几何模型

图3.用于模拟（50MHz）的扁平和轮廓石英芯片安装端的放大图

图2显示了石英板的两个角被安装，我们使用完美匹配层（PML）来模拟陶瓷基板上环氧树脂的行为。图3是嵌入环氧树脂中的扁平和轮廓石英芯片的放大图。

图4.采用FLAT芯片的50MHz三次谐波谐振器的位移场

图5.采用BEVELED芯片的50MHz三次谐波谐振器的位移场

图6.带有FLAT芯片的54MHz三次谐波谐振器的位移场

图7.带有BEVELED芯片的54MHz三次谐波谐振器的位移场

图4至7是模拟结果。对于具有扁平芯片的基本模式（波长长于第三泛音的波长），振动可以延伸到安装区域。然后，当芯片倾斜时，位移场可以稍微集中到中心。对于第三泛音模式，当芯片是平坦的时，振动几乎被限制在电极电镀区域中。因此，似乎斜面芯片显然不会改变第三泛音的位移场。50MHz和54MHz三次谐波谐振器都显示出这种趋势。

实验和结果：

测量具有不同倾斜芯片的两个第三泛音压电石英晶体的效应串联电阻（ESR）。斜切管的直径为120mm，图8和图9是这些石英芯片的轮廓。随着斜切时间的增加，芯片进一步倾斜。

图8.5,10,12和15小时后斜切的平坦和斜面50MHz第三泛音芯片的轮廓

图9.5,10,12和15小时后斜切的平坦和斜面54MHz三次泛音芯片的轮廓

我们还在每个斜切时间之后测量斜切片的边缘厚度。图10是“边缘厚度”的草图。表I和II是边缘厚度的测量数据。

图10.5,10,12和15小时后斜切的平坦和斜面54MHz三次泛音芯片的轮廓

表1.50兆赫第三泛音谐振器的边缘厚度

表2.54兆赫第三泛音谐振器的边缘厚度

图11和12分别是50MHz和54MHz晶振的斜切时间图的ESR。对于3阶泛音模式，斜角不会对ESR产生太大影响，因为即使在平板中，振动也可以限制在电极镀层区域。然而，对于基本模式，进一步的斜切可以降低ESR，因为轮廓形状可以抑制通过安装端下沉的振动能量。这些趋势符合第III节中的位移场模拟结果。

图11.50MHz谐振器斜切时间图的基本和第三次谐波ESR

图12.54MHz谐振器斜切时间图的基本和第三次谐波ESR

图13和14是斜角时间图的ESR比率（第3个OT/基金。）。当比率小于1时，基本ESR大于第三泛音。基本模式的能量通过安装胶水严重损失到陶瓷基座上。在相同的斜切过程中，在54MHz下比率可以更容易大于1。由于54MHz的波长短于50MHz的波长，54MHz石英晶体的波传播能力比50MHz的波传播能力差。轻微的斜角可以向外切割短波长的能量通量。

图13.50MHz谐振器的斜角时间图的ESR比（第3个OT/基金。

图14.ESR比（第3个OT/基金。）到54MHz谐振器的斜切时间图

根据仿真和实验数据，适当的斜切可以减少三次谐波的能量通量，但允许一些基本能量的能量通量向外传播。然后可以控制这两种模式的电阻比，以避免谐波噪声，提高三次谐波石英晶振的性能。