2020年压电石英晶体元器件行业分析
2020年压电石英晶体元器件行业分析
一、行业市场规模 (2)
二、行业发展趋势 (4)
1、小型化 (4)
2、高基频 (4)
3、高精度 (5)
4、低功耗 (5)
三、行业竞争情况 (6)
1、竞争格局 (6)
2、行业企业 (6)
（1）Epson Toyocom (6)
（2）NDK (7)
（3）KDS (7)
（4）台湾晶技 (7)
（5）希华晶体 (7)
（6）东晶电子 (8)
（7）泰晶科技 (8)
一、行业市场规模
电子元器件是信息化时代的基础零部件，根据使用功能的不同，可分为电容器、电阻器及电阻网络、频率控制元器件和磁性材料元器件等。压电石英晶体元器件属于频率控制元器件的核心，通常可按照属性简单划分为石英晶体谐振器（无源晶振）和石英晶体振荡器（有源晶振）。压电石英晶体元器件行业上游包括原材料生产培养、材料制造、精密机械研制等，下游应用领域为移动终端、消费类电子产品、通信网络、家用电器、汽车电子、医疗电子等国民经济发展的基础性产业。
从行业规模来看，根据CS&A 数据显示，2018 年全球石英晶体元器件（谐振器、振荡器）市场规模约为30 亿美元，整体市场规模相对稳定。根据日本水晶工业协会公布的数据，2017 年大陆厂商石英晶体元器件销售额约占全球的10.10%，较2010 年的4.0%增长将近6.1 个百分点。手机移动终端、消费电子、通信网络、家用电器、汽车电子等终端设备产品均会使用到石英晶体元器件，这些领域属于景气度较高的行业，给石英晶体元器件行业带来持续稳定的需求。
消费类电子领域是压电石英晶体主要应用领域，其中手机是压电石英晶体最大的应用市场。根据IDC 数据显示，2019 年全球手机出
货量为13.7 亿部，国内手机市场占据约30%份额。根据中国信通院数据显示，2019 年国内手机市场总体出货量为3.89 亿部。虽然目前国内手机行业呈现一定饱和的状态，但2020 年5G 开始商用将带动新一波换机需求。而且随着移动通信技术不断升级，单个手机搭载的模块增加，所配置的石英晶体元器件数量和价值不断提升。
电脑及其他消费类电子产品需求仍然是支撑石英晶体元器件行业发展的重要动力。根据国家统计局数据，2018年我国电子计算机产量为3.52亿台，微型计算机产量为3.07亿台。电子计算机继续保持较高的出货量，对频率元件需求旺盛。根据公开资料表明，电脑主板中包含频率为14.318MHZ的时钟石英晶体谐振器和频率为32.768KHZ 的实时石英晶体谐振器，同时显示器、摄像头、蓝牙、无线Wifi、声卡、硬盘、键盘等核心部件均连接至少1 颗高频晶体元器件。
此外，可穿戴设备市场蓬勃发展为石英晶体元器件提供更多需求来源。IDC 数据显示，2018 年我国可穿戴设备出货量为7,321 万台，同比增长28.5%。
在家电领域，根据群智咨询全球TV 市场调研数据显示，2019 年全球TV 市场的总出货量为2.4 亿台，同比增长0.4%；国家统计局数据显示，我国2019 年彩电、空调、洗衣机、冰箱产量分别为18,999 万台、21,866 万台、7,433 万台和7,904 万台，分别同比增长-2.9%、6.5%、9.8%和8.1%。随着智能电视等智能家电产品的深入发展，智能家电产品将集合越来越多的功能，包含语音识别、wifi、蓝牙等，将导致单机产品对石英晶体元器件的需求量进一步增加。
石英晶体的简介
【摘要】石英晶体具有压电特性、各向异性、双折射现象等等的化学物理特性，能应用于石英钟、温度计、压力指示器、加速度计等方面，是现代电子技术不可或缺的一部分。关键词：石英晶体、特性、不可或缺 【Abstract】Quartz crystals have piezoelectric properties, anisotropic, double refraction phenomenon and so on the physical and chemical properties, can be applied to the quartz clock, thermometer, pressure indicator, accelerometer, modern electronic technology, is an indispensable part of. 随着时代的发展，科技的进步，技术的创新，越来越多的新产品被人们制造出来。人们运用已知的知识，踏着先人的脚步，不断地创新，不断地前进，以期能够使人们的生活变得越加的便利，质量越加的好。 此次我以石英晶体为例，为各位阐述科技创新的证据。那么何为石英晶体呢？石英是由硅和氧两种元素组成，根据不同用途，将石英晶棒按照特定的晶向切割成晶片，即可制成石英晶体。在常温下不同温度时，石英晶体的结构不同，温度T<573℃时是α石英晶体，当573℃ 石英晶体谐振器与集成稳压电路 任务目标； 单片机中晶振的作用以及稳压电路的特点、和在汽车电路中的应用。 学习目标； 了解单片机中晶振的作用以及稳压电路的特点、和在汽车电路中的应用。 二氧化硅(Si02)的单晶体，又称水晶。有天然和人造的两种。石英晶体是一种重要的电了材料。沿一定方向切割的石英晶片，若在石英晶片的两端加一电场，晶片就会产生机械变形，这种现象称为正压电效应。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为逆压电效应。正、逆两种效应合称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其它频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、儿何形状、尺 寸等有关。石英晶体不仅具有压电效应，而且还具有优良的机械特性、电学特性和温度特性。用它设计制作的谐振器、振荡器和滤波器等，在稳频和选频方面都有突出的优点。 1、石英晶体振荡器的结构 石英晶体振荡器是利用石英晶体(二氧化硅的结晶体)的压电效制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是:从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片(简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等)，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。金属外壳封装的石英晶体外形如图1所示。 常用的压电材料分类 第一类是无机压电材料，分为压电晶体和压电陶瓷，压电晶体一般是指压电单晶体；压电陶瓷则泛指压电多晶体。 压电陶瓷是指用必要成份的原料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结过程而获得的微细晶粒无规则集合而成的多晶体。具有压电性的陶瓷称压电陶瓷，实际上也是铁电陶瓷。在这种陶瓷的晶粒之中存在铁电畴，铁电畴由自发极化方向反向平行的180 畴和自发极化方向互相垂直的90畴组成，这些电畴在人工极化（施加强直流电场）条件下，自发极化依外电场方向充分排列并在撤消外电场后保持剩余极化强度，因此具有宏观压电性。如：钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT 等。这类材料的研制成功，促进了声换能器，压电传感器的各种压电器件性能的改善和提高。 压电晶体一般指压电单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。 相比较而言，压电陶瓷压电性强、介电常数高、可以加工成任意形状，但机械品质因子较低、电损耗较大、稳定性差，因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用，但对高频、高稳定应用不理想。石英等压电单晶压电性弱，介电常数很低，受切 型限制存在尺寸局限，但稳定性很高，机械品质因子高，多用来作标准频率控制的振子、高选择性（多属高频狭带通）的滤波器以及高频、高温超声换能器等。近来由于铌镁酸铅 Pb(Mg1/3Nb2/3)O3单晶体（Kp ≥90%, d33≥900×10-3C/N, ε≥20,000）性能特异，国内外上都开始这种材料的研究，但由于其居里点太低，离使用化尚有一段距离。 第二类是有机压电材料，又称压电聚合物，如偏聚氟乙烯（PVDF）（薄膜）及其它为代表的其他有机压电（薄膜）材料。这类材料及其材质柔韧，低密度，低阻抗和高压电电压常数(g)等优点为世人瞩目，且发展十分迅速，现在水声超声测量，压力传感，引燃引爆等方面获得应用。不足之处是压电应变常数（d）偏低，使之作为有源发射换能器受到很大的限制。 第三类是复合压电材料，这类材料是在有机聚合物基底材料中嵌入片状、棒状、杆状、或粉末状压电材料构成的。至今已在水声、电声、超声、医学等领域得到广泛的应用。如果它制成水声换能器，不仅具有高的静水压响应速率，而且耐冲击，不易受损且可用与不同的深度。 石英晶体基础知识 目录 一、石英晶体的基本知识 (2) 1、化学物理特性 (2) 2、石英晶体的振动模式 (3) 3、石英晶片的切型 (5) 二、AT 石英谐振器的特性 (8) 1、频率方程 (8) 2、AT 切石英谐振器的频率温度特性 (8) 三、AT 切石英谐振器的加工制造 (15) 1、X 光定向粘板 (15) 2、石英晶片切割 (16) 3、X 光测角 (17) 4、粘砣，切籽晶及改圆 (17) 5、研磨 (18) 6、滚筒倒边 (18) 7、石英片的腐蚀 (19) 8、镀基膜 (19) 9、石英晶体的装架 (20) 10、微调 (22) 11、真空烘烤和封装 (22) 12、密封性能检查 (23) 13、石英谐振器的老化 (23) 14、石英谐振器的测试 (23) 一、石英晶体的基本知识 1、化学物理特性 ①水晶的成份SiO2，在常压下不同温度时，石英晶体的结构不同，温度T＜573 ℃时α石英晶体，当573℃＜T＜870℃时β石英晶体，熔点是1750℃，我们通常说的压电石英晶体指α石英晶体。 ②具有压电特性： 发现 压电效应： 某些介质由于外界机械作用（如压缩，拉伸等等）而在其内部发生极化， 产生表面电荷的现象叫压电效应。 逆压电效应： 某些介质置于外电场中，由于电场的作用，会引起介质内部正负电荷中 心的位移，导致介质发生形变，这种效应称为逆压电效应。 石英晶体在沿X 轴（或Y 轴）方向的力的作用时，在X 方向产生压电效应，而Y 和Z 方向不产生压电效应，X 轴称为电轴，Y 轴称为机械轴。 ③具有各向异性：石英晶体是一种良好的绝缘材料，导热系数在室温附近，沿Z 轴方向是垂直于Z 轴方向的2 倍左右，沿Z 轴方向的线性膨胀系数a3 约为沿 垂直于Z 轴方向线性膨胀系数a1 的1/2，其介电系数ε，压电系数d 等随方向 的不同其数值也不同，在不同温度，导热系数K 与膨胀系数a 的数值也不同。 ④是外形高度对称的单晶体，其特征是原子和分子有规则的排列发育良好的石英 晶体，外形最显著的特点是晶面有规则的配置，石英晶体的晶面共30 个，六 个m 面（柱面），六个R 面（大棱面）六个r 面（小棱面）六个s 面（三方偏锥面)，六个X 面（三方偏面），相邻M 面的夹角度为60°，相邻M 面和R 面的夹角与相邻M 面和r 面的夹角都等于38°13′，相邻s 面与X 面的夹角 为25°57′。 石英晶体振荡器的基本工作原理及作用 (1)石英晶体振荡器（简称晶振）的结构石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化矽的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑胶封装的。(2)压电效应 若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐 振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。 (3)符号和等效电路石英晶体谐振器的符号和等效电路如图所示。当晶体不振动时，可把它看 成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个pF到几十pF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L來等效。一般L的值为几十mH到几 百mH。晶片的弹性可用电容C來等效，C的值很小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时因 摩擦而造成的损耗用R來等效，它的數值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大，而C很小， R也小，因此回路的品质因數Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只 与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定性。 - 6 - 陶瓷封装对石英晶体谐振器的仿真研究* 吴荣兴1,2，李继亮2，于兰珍1,2，李建中1，王 骥2 （1.宁波职业技术学院建筑工程系，浙江宁波 315800；2.宁波大学机械与力学学院，浙江宁波 315211） 摘 要：基于三维压电理论，利用有限元软件ANSYS对考虑封装结构的石英晶体谐振器进行了研究。在添加导电胶、封装基座和封盖后，获得了清晰的石英晶体板厚度剪切振动的位移云图和在长度、宽度方向的位移图。数值分析结果表明与自由振动相比，封装基座和封盖对石英晶体板厚度剪切振动的影响不大。结果验证了Mindlin板理论在分析石英晶体板高频振动的有效性。 关键词：封装结构；谐振器；厚度剪切；位移；振动；有限元 中图分类号：O343 文献标识码：A 文章编号：1681-1070（2014）07-0006-03 The Simulation Study of Quartz Crystal Resonator with Consideration of the Ceramic Package Structures WU Rongxing1, 2, LI Jiliang2, YU Lanzhen1, LI Jianzhong1, WANG Ji2 （1. Department of Architectural Engineering, Ningbo Polytechnic, Ningbo 315800, China; 2. School of Mechanical Engineering and Mechanics, Ningbo University, Ningbo 315211, China） Abstract: Based on the three-dimensional theory of piezoelectricity, the quartz crystal resonator with consideration of package structures have been investigated by the finite element software ANSYS. With adding conductive adhesive support, sealing base and cover, the paper obtained clear cloud pictures of displacement of the thickness-shear vibrations of quartz crystal plate and displacement pictures on the length and width direction. Numerical results showed that compared with free vibration, the effect of sealing base and cover on the thickness-shear vibration of quartz crystal plate is little. In the paper, the obtained results have verified efficiency of Mindlin plate theory on analysis of high frequency vibration of quartz crystal plate. Key words: package structure; resonator; thickness-shear; displacement; vibration; finite element 收稿日期：2014-04-11 *基金项目：国家自然科学基金（10932004 & 11072116）；浙江省教育厅高校科研项目（Y201327293）；浙江省重中之重学科开放基金（zj1202）；宁波职业技术学院青年博士创新基金项目（2013001） 1 引言 作为频率控制器件的石英晶体谐振器是整个电子行业必不可少的关键元件[1~3]。石英晶体谐振器生产工艺要经过分选、研磨、抛光、镀膜、调频以及封装等工序[4, 5]。其中封装是石英晶体谐振器制造的关键步骤，将直接影响谐振器工作的稳定性、抗冲击性和寿命等[6, 7]。石英晶体谐振器通过石英晶体板的厚度剪切振动来产生稳定的频率源或以频率的改变来检测各种影响因素的变化。石英晶体板的高频振动可以用近似的Mindlin板理论进行解析求解。但是解析法无法分析复杂封装结构对石英晶体板高频振动的影响[8, 9]。 随着计算机技术和性能的不断提升，过去认为无法实现的石英晶体谐振器高频振动的三维有限元分析正变得可行[10]。利用有限元软件ANSYS已经能够对石英晶体板进行三维建模并计算获得了厚度剪切振动的振动频率和清晰的位移云图，接着进一步考虑了 压电现象、声波及器件应用 Ji Wang Ningbo University, China Weiqiu Chen Zhejiang University, China Piezoelectricity, Acoustic Waves and Device Applications 2007, 385pp. Hardcover ISBN 9789812708137 王骥等编 由于建立在压电固体中声波的产生和传播基础上的各种传感器和传输系无处不在地发挥作用，世界愈加智能化及相互关联，因而许多研究人员和工程师从事压电声波器件的分析、设计、制造、测试及应用工作，表现在“压电现象、声波及器件应用(SPAWDA)”专题讨论会的参与者及研究范围的不断扩大。 该讨论会第一次会议2004年在宁波大学举行，第二次会议于2006年12月14日~17日在杭州浙江大学举行。本书是SPAWDA 2006的会议录。这次会议由中国力学学会、中 国声学学会和IEEE UFFC学会主办，有来自中国、美国、德国、沙特阿拉伯及中国香港和台湾地区的大约40位一流的科学家、工程师、产业界人士和学生与会，他们代表了这些国家和地区的著名研究机构及相关的组织。贯穿整个会议日程，演讲者强调了作为指导原理、设计工具和实现技术的力学、物理和材料科学在压电声波器件发展中的应用。这次讨论会涉及的主题包括了与压电效应、声波、制造技术和设计技术方面有关的重要课题。 本书一共收录了71篇论文，分成三个部分。第一部分压电现象，有27篇论文。第二部分声波与振动，有28篇论文。第三部分器件应用，有16篇论文。其中36篇论文是用中文撰写的，其余35篇论文是用英文撰写的。其中包括了由Clemens Ruppel等人撰写的“射频前端的声波滤波器器件”；由https://www.360docs.net/doc/1718754567.html,m等人撰写的“ST-切割石英谐振器阶梯式电极的能量陷阱效应”；由https://www.360docs.net/doc/1718754567.html,m的“与晶体振荡器相比较，微电子机械系统振荡器最新进展的评估”。 本书中论文包括来自Epcos、清华大学、香港科技大学和TXC公司的著名专家。除了全体会议和14个同时进行的分组会议外，还有专门为纪念Harray.F Tiersten教授的分组会议，他是美国Resselear理工大学教授，2006年6月12日去世。他是这个领域的先导研究人员，在压电现象的基础理论和声波器件分析方面做出了重要的贡献。他的著作《线性 电子材料与元器件教学大 纲 Final approval draft on November 22, 2020 《电子材料与元器件》课程教学大纲 课程编号：010192 适用专业：应用电子技术专业 学时数：60（讲课：40，上机：20）学分数：4 执笔者：张恒审核人：编写日期： 建议教材与教学参考书：[1]《电子材料与元器件》电子工业出版社陈颖主编 一、课程的性质和目的： 《电子材料与元器件》是高等职业学校工业应用电子技术、自动化和机电一体化等专业的一门重要的专业必修课，是与实际生产相结合的基本课程，是电子类技术人才必须掌握的基础知识。本大纲根据高等职业学校机电类专业教学计划制订。 本课程是一门技术性与实践性较强的应用学科，教学中必须坚持理论联系实际的原则，让学生有一定的动手练习机会。可按照相关的课程内容，相应的组织实验、模拟实习、焊接练习，以提高学生的理解深度和动手能力，从而提高学生对电子材料与元器件的处理问题的能力。 本课程的教学任务是：讲授常用电子材料以及各种常用电子元器件：电阻器、电容器、电感、接插件、晶体管、集成电路的外形，命名和标识，检测和使用等方面的知识，把学生培养成为具有一定理论与实践相结合的高等职业技术人才。 本课程是一门技术性与实践性较强的应用学科，教学中必须有时注意理论联系实际的原则，让学生有相应的动手练习机会。由于受课时量的限制，可按照相关的课程内容，组织相应的元器件识别、以提高学生的对电子元器件的识别能力、应用能力 二、教学目标和基本要求： 教学目标： 通过本课程的学习，把学生培养成为具有一定电子技术知识和操作能力，能够独立分析、解决有关材料和元器件问题的高等职业技术人才。 （一）理论方面： 本课程的教学任务是：使学生掌握常用电子材料以及各种常用电子元器件：电阻器、电容器、电感、接插件、晶体管、集成电路的外形，命名和标识，检测和使用等方面的知识，为学习后续课程和今后的工作准备必要的基础知识，以及同时也 深圳市锐晶星电子科技有限公司 石英晶體諧振器基礎知識 培训教材 （共8页） 2007年7月1日 第一章石英晶体的基本特性 第一节石英晶体的压电特性 图1-1示出了石英晶体具有压电效应的两种现象。图1-1a当沿Y 轴加压缩力时，则在X轴正端垂直面上，出现正电荷（晶体的伸缩弯曲振动就是按此激起的）。图1-1b中当对晶体施加正切应力时，则在垂直Y 上述现象表明石英晶体是一种各向异性的结晶体，它具有压电效应。当沿某一机械轴或电轴施以压力或拉力，则在垂直于这些轴的两个表面上产生异号电荷±q。其值与机械压力所产生的机械形变（位移）X成正比。即：q=k 1x ﹎﹍(1-1) 式（1-1）所表征的效应称为正压电效应，正压电效应是以机械能为因，电能为果的效应。 石英晶体还具有逆压电效应。如果在石英晶体片两面之间加一电场E，则视电场的方向不同，晶体将沿电轴或机械轴延伸或压缩，延伸或压缩量X与电场强度E成正比，即：X=K2E ﹍（1-2） 式（1-2）所表征的效应称压电逆效应。是以电能为因，机械能为果的效应。 由上面的讨论可以看出，正、逆压电效应互因果关系。如果将石英晶体片置于交变电场中，则在电场的作用下，晶体片的体积将起压缩和伸张的变化，由此形成机械振动，晶体的振动属体波振动，当晶体片振动时，逆压电效应使得晶体片具有导电性，这种压电性叫做压电导电性。石英片固有的振动频率取决于晶体片的几何尺寸、密度、弹性和泛音次数。当晶体片的固有振动频率与加于其上的电场频率相同时，则晶体片将发生谐振。此时振动的幅度最大，压电效应在晶体片表面产生的电数值和压电导电性也达最大。因此，外电路中的交变电流也就最大。这是用以稳定频率的理论基础。 第二节石英晶体在不同温度下的各种变体 在正常的压力下，石英晶体随着温度的不同共有五种不同性质的变体，即： (1)α石英，其温度低于573℃时为稳态，就是我们通常用的压电石英晶体。 (2)β石英,对α石英加温超过573℃时,即转变为β石英,它在573℃～870℃之间为稳态,但此时没有压电效 应,也不能用作压电元器件了。 （3）磷石英，当对β石英加温超过870℃，β石英变为磷石英，它在870℃～1470℃之间为稳态。 （4）方石英，当对磷石英加温超过1470℃时，磷石英变为方石英，它在1470℃～1710℃之间为稳态。（5）石英玻璃，当对方石英加温超过1710℃时及以后即开始溶化，熔化后的石英，将温度降低也不能上述五种形态可用下式开示： 573℃ 870℃ 1470℃ 1710℃ α石英β石英磷石英方石英石英玻璃 由此看出，我们常用的α石英，其临界温度为573℃。若超过这一温度，它将失去压电效应，这是我们在加工过程中必须十分注意的问题。 第三节石英晶体的物理特性 各向异性是石英晶体典型的物理特性，它具有以下物理常数。即： ⑴、密度率：2.649克/立方百米； ⑵、折射率:1.553(或1.5574),有旋光性； 压电元件及压电感器 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 1 压电元件及压电传感器 一、压电效应 某些晶体(电介质)在一定方向受到外力作用时，内部将产生极化现象，相应地在晶体的两 个表面(称为极化而)产生符号相反的电荷；当外力作用除去时，义恢复到不带电状态；当作用 力方向改变时．心荷的极性也随之改变。这种现象称为压电效应。反之，若存电介质的极化方 向施加电场，则电介质会产生机械变形。这种现象称为逆压电效应或电致伸缩效败。 所示为压电效应，图2示为压电效应的可逆性。 具有压电效应的物质很多，pJ分为 兵他申品；二是压电陶瓷(多晶半导瓷) 压电材料阿种。 1．压电晶体 —大类：足斥电品休(申晶)，它包括压电石英仍体和 三是新型压电材料，其中有压电半导体和行机高分子 出品体学uJ知．尤对稠；中心的品体，通常具有压电件。具有压电性的孕晶体统称为压电晶 体。石英品体是最典型的常用比，巴晶体。 石英晶体(si()如俗称水品，有大然与人—L之分。石英晶体的主要性能特点是： (1)压电常数小(矗M＝2．31×10“!C／N)，兵时间勺温皮稳定性极好，常温下几乎刁；变， 20一200℃范围内其温度变化率仅为一o．ol 6％／℃；当温度达到573℃时，石英晶体将会丧失 压电特性。因此573℃称为石英晶体的居里点。 (2)机械强度和质量因素高，许用血力高达(6．8—9．8)×10’Pa，只刚度大，固有频率高v动态特性灯。 (3)太热环电件 感器。 2．压电陶瓷 且绝缘性、重复性纤。常用于精度和稳定性要求高的场合和制作初i准作 乐电陶瓷的特点是：从屯常数远大于心英晶体的压电常数，故人敏度高；制造工艺成熟，可 通过配人和掺杂碎人工拌制来达到所要求的性能‘成本低廉，为石英晶体的1％一10火．有利 于广泛府用；除具止屯性外，还具有热释电性，因此它III作为热电传感器件而用于红外探测器 中。但这会给乐http://www.ebv.hk电传感器造成热下扰，降低J”稳定性。 常用的压电陶瓷主要有以下几种： (〔)钻酸刨(Eall()3) 钻酸钡具仑较高的压电常数(d”— 数大(1000一5000)。居坠点为1201：．机械强度低于心焚晶体 (2)怯歇酸铅系压电陶瓷(PZT) 铅钻酸铅是出PbTIQ和P比KL组成的固熔体凡(Zr· 引)()s o它有较高的斥电常数(dM＝2u[]×10—M一50()×10—“C／N)利居里点(300℃以卜)。是 r1前常用的一种压电材料。苦加入微量的谰(Za)、妮(NL)或锑(sb)等．可得4；向性能的PZ“1’ 材料。 石英晶体元器件概述 一、前言 石英晶体俗称水晶，成分是SiO2，是一种重要的压电材料，可用于制造压电元器件。例如：石英晶体谐振器、石英晶体滤波器、石英晶体振荡器、石英晶体传感器等。 二、石英晶体元器件的内容 三、晶振分类 根据晶振的不同使用要求及特点，通常分为以下几类：普通晶振、温补晶振、压控晶振、温控晶振等。 1、普通晶振（PXO或SPXO）：是一种没有采取温度补偿措施的晶体振荡器，在整个温度范围内，晶振的频率稳定度取决于其内部所用晶体的性能。 特点： ●频率精度（准确度）：10-5～10-4量级 ●标准频率：1～100MHZ ●频率稳定度是±100ppm。 ●用途：通常用作微处理器的时钟器件、本振源或中间信号。 ●封装尺寸： DIP14（21×14×6mm），SMD 7050、5032、3225、2520。 ●价格：是晶振中最廉价的产品， 2、温补晶振（TCXO）：是在晶振内部采取了对晶体频率温度特性进行补偿，以达到在宽温温度范围内满足稳定度要求的晶体振荡器。一般模拟式温补晶振采用热敏补偿网络。 特点： ●频率精度（准确度）：10-7～10-6量级 ●频率范围：1～60MHz ●频率稳定度：±1～±2.5ppm ●封装尺寸： DIP14（21×14×6mm），11.4×9.6mm，SMD 7050、5032、3225、2520 ●用途：通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。 ●由于其良好的开机特性、优越的性能价格比及功耗低、体积小、环境适应性较强等多方面 优点，因而获行了广泛应用。 3、压控晶振（VCXO）：是一种可通过调整外加电压使晶振输出频率随之改变的晶体振荡器，主要用于锁相环路或频率微调。压控晶振的频率控制范围及线性度主要取决于电路所用变容二极管及晶体参数两者的组合 特点： ●频率精度（准确度）：是10-6～10-5量级 ●频率范围：1～30MHz ●频率稳定度：±50ppm ●用途：通常用于锁相环路 ●封装尺寸：14×10×3mm或更小，SMD 7050、5032、3225、2520 课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位：信息工程学院 题目一：高频石英晶体正弦波振荡器 初始条件： 具较扎实的电子电路的理论知识及较强的实践能力；对电路器件的选型及电路形式的选择有一定的了解；具备高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力；能够正确使用实验仪器进行电路的调试与检测。 要求完成的主要任务：（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、采用晶体三极管构成一个多功能正弦波振荡器； 2、额定电源电压5.0V ，电流1～3mA; 输出频率 10 MHz； 3、通过跳线可构成串、并联晶体振荡器； 4、有缓冲级，在100欧姆负载下，振荡器输出电压≥ 1 V (D-P); 5、完成课程设计报告（应包含电路图，清单、调试及设计总结）。 时间安排： 二十周一周，其中4天硬件设计与制作，3天调试及答辩。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 目录 摘要...................................................................... I Abstract ................................................................... II 1 绪论 (1) 2 设计内容及要求 (1) 2.1设计目的及主要任务 (1) 2.1.1设计目的 (1) 2.1.2 设计任务及要求 (1) 2.2设计思想 (2) 3 石英晶体特性简介 (2) 3.1物理特性 (2) 3.2等效电路及阻抗特性 (2) 3.3晶体谐振器的应用 (3) 4 晶体正弦波振荡器的设计 (3) 4.1串联型晶体振荡器 (4) 4.2并联型晶体振荡器 (5) 4.2.1 c-b型并联晶体振荡器 (5) 4.2.2 b-e型并联晶体振荡器 (5) 4.3输出缓冲级设计 (7) 4.4晶体振荡器设计总原理图 (7) 4.4.1电路原理图的设计 (7) 4.4.2 元件参数的计算 (8) 5 电路仿真与硬件调试 (9) 5.1电路仿真 (9) 5.1.1静态工作点的测试 (9) 5.1.2串联型振荡器输出测试 (10) 5.1.3并联型振荡器输出测试 (10) 5.2硬件调试 (11) 6 元器件清单 (13) 7 总结与心得体会 (14) 参考文献 (15) 课程编号：05064410 《电子材料与器件》课程教学大纲 （Electronic Materials and Devices） 适用于本科电子信息工程专业 总学时：16学时总学分：1学分 开课单位：物理系课程负责人：郑洁 执笔人：郑洁审核人：白心爱 一、课程的性质、目的、任务（黑体小四号，下同） 《电子材料与器件》是电子信息工程专业的一门重要的专业任选课，是电子类技术人才必须掌握的基础知识。 本课程是一门技术性与实践性较强的应用学科，教学中必须坚持理论联系实际的原则，让学生有一定的动手练习机会。组织相应的元器件识别、以提高学生的对电子元器件的识别能力、应用能力。 本课程的教学任务是：讲授常用电子材料以及各种常用电子元器件：电阻器、电容器、电感、接插件、晶体管、集成电路的外形，命名和标识，检测和使用等方面的知识，把学生培养成为具有一定理论与实践相结合的高等职业技术人才。 通过本课程的学习，把学生培养成为具有一定电子技术知识和操作能力，能够独立分析、解决有关材料和元器件问题的高等职业技术人才。 二、教学基本要求 1、讲授与实验相结合，围绕基本概念、元器件工作原理、结构和应用为主进行教学。 2、本课程应保证学生有充分的实验时间，使他们在实践中不断地发现问题并解决问题，达到教学大纲规定的要求。 3、要注意培养学生的自学能力，在教学中注意引导学生自己发现电子元器件的问题，提出问题，分析问题，培养他们独立解决问题的能力。 三、教学内容、目标要求与学时分配 第1章电子材料 教学内容： 1.1 绝缘材料 1.2 导电材料 1.3 磁性材料 教学目标要求：熟悉各种电子材料的特性，掌握它们的应用。 年产15000万只SMD-G型石英晶体谐振器项目项目名称：年产15000万只SMD-G型石英晶体谐振器 目录 一、项目的背景和必要性 1、国内外现状和技术发展趋势 2、对产业发展的作用与影响 3、产业关联度分析 4、市场分析 二、项目的技术基础 1、成果的来源及知识产权情况 2、技术或工艺特点以及与现有技术或工艺比较所具有的优势 3、项目需解决的关键技术问题 4、该项技术的突破对行业技术进步的重要意义和作用 三、建设方案 1、项目建设的主要内容 2、建设规模 3、工艺技术路线 4、设备选型 5、主要经济技术指标 6、建设地点、建设工期和进度安排、建设期管理 四、项目投资 1、项目总投资 2、投资使用方案 3、资金筹措方案 4、贷款偿还计划 五、各项建设条件落实情况 1、环境保护 2、资源综合利用 3、原材料供应及外部配套条件落实情况 六、项目财务分析、风险和效益分析 1、销售收入和销售税金及附加 2、达产年销售总成本的估算 3、项目经济分析 4、不确定性分析 5、综合经济评价 一、项目意义和必要性。 1、国内外现状和技术发展趋势 石英晶体谐振器产品是２０世纪３０年代开始在美国等西方国家和微电脑产业同步发展起来的一种新型电子元件。经过近10年的生产和产业大转移，到二十世纪末，产业现状发展为：美国处在高精度、高稳定性的军用产品研发前沿，日本处于民用石英晶体技术开发和制造装备开发前沿。韩国、台湾特别是中国大陆完成了通孔安装型﹝ＤＩＰ﹞石英晶体谐振器的技术承接，利用廉价劳动力优势，垄断了ＤＩＰ型石英晶体谐振器的生产，西方国家基本不再生产ＤＩＰ型石英晶体谐振器，转为专门生产表面贴装型石英晶体谐振器。 自2000年起，世界晶体行业正在进行第二次产业转移。中国大陆、台湾直接承接了日本、美国的表面贴装﹝ＳＭＤ﹞型石英晶体谐振器制造技术，成为世界石英晶体谐振器加工厂。事实上，台湾的晶体制造基地也在中国大陆，但是，日本仍控制着ＳＭＤ型石英晶体谐振器的制造装备和原材料。 随着整机制造表面贴装﹝SMT﹞技术的广泛应用，石英晶体谐振器的品种正处在从通孔安装型﹝DIP﹞向表面安装型﹝SMD﹞的迅速转化阶段；传统家电类整机产品和数码新产品体积不断小型化，如U 盘、MP3、MP4、GPS、数码相机、SIM卡等，便携式产品的不断涌现，要求石英晶体谐振器产品也要随之不断小型化和微型化。而数码通讯类产品如手机、小灵通和蓝牙技术的迅速普及与应用，又对石英晶体 石英晶体谐振器的振动实质上是一种机械振动。实际上，石英晶体谐振器可以被一个具有电子转换性能的两端网络测出。这个回路包括L1、C1，同时C0作为一个石英晶体的绝缘体的电容被并入回路，与弹性振动有关的阻抗R1是在谐振频率时石英晶体谐振器的谐振阻抗。(见图1) 石英晶体作为谐振器在使用时，要求其谐振频率在温度发生变化时保持稳定。温频特性与切割角有关，每个石英晶体具有结晶轴，晶体切割是按其振动模式沿垂直于结晶轴的角度切割的。典型的晶体切割和温频特性。(见图2) AT型石英晶体谐振器的温度特性目前大多用三次曲线表示(见图3)。一个石英晶片在所需要的频率范围已满足的情况下在某一角度被切割，以达到要求的工作温度范围。当然，实际上，即使在成功的操作中，也会有一些由于切割和磨光精确性不够而造成的角度散布，由此，操作的精确度需要提高。在图4中可以看到频率公差和生产难度等级的关系。 所有石英谐振器均有寄生（在主频率之外的不期望出现的）振荡响应。他们在等效电路图中表现为附加的以R1、L1、C1形成的响应回路。 寄生响应的阻抗R NW与主谐振波的阻抗Rr的比例通常以衰减常数dB来表示,并被定义为寄 生衰减a NW=-20 · lg 对于振荡用晶体,3至6dB是完全足够的.对于滤波用晶体,通常的要求是超过40dB. 这一规格要求只有通过特殊设计工艺并使用数值非常小的动态电容方能达到. 可达到的衰减随着频率的上升和泛音次数的增加而减小. 通常的平面石英晶片谐振器比平凸或双面凸晶片谐振器的寄生衰减要良好. 在确定寄生响应参数时,应同时确定一个可接受的寄生衰减水平以及寄生频率与主振频率的相对关系. 在AT切型中,对于平面晶片,"不和谐的响应"只存在于主响应的+40至+150KHZ之间,对于平凸或双面凸的晶片,寄生则在+200至+400KHZ之间. 在以上的测量方法中,寄生响应衰减至20至30dB时是可以测量的,对于再高一些的衰减.C0的补偿是必需的. 石英振荡器的机械振动的振幅会随着电流的振幅成正比例地上升. 功率与响应阻抗的关系为Pc=12q R1, 高激励功率会导致共振的破坏或蒸镀电极的蒸发,最高允许的功率不应超过10mV. 由于L1和C1电抗性的功率振荡,存在Q c=Q x P c. 若P c=1mV, Q=100.000, Q c则相当于100W. 由于低的Pc功率会导致振荡幅度的超过,最终导致晶体的频率上移. 随着晶体泛音次数的增加, 对于激励功率的依赖性更加显著.上图显示了典型的结果, 但是精确的预期结果还是要受到包括晶体设计和加工,机械性晶片参数,电极大小,点胶情况等的影响. 可以看出, 激励功率必须被谨慎地确定,以使晶体在生产中和使用中保持良好的关系. 当今,一个半导体振荡回路的激励功率一般为0.1mV,故在生产晶体时也一般按0.1mV进行. 一个品质良好的晶体可以容易地起振,其频率在自1nW逐步增加时均能保持稳定.现在, 晶体两端的功率很低的半导体回路也可以在很低的功率的情况下工作良好. 上图显示了一个对激励功率有或无依赖性的晶体的工作曲线的比较. 晶体存在蒸镀电极不良,晶片表面洁净度不足, 都会存在如图所示的在低功率时出现高阻抗的情况, 这一影响称为激励功率依赖性(DLD). 通常生产中测试DLD是用1~10mV测试后再用1mV 测试, 发生的阻抗变化可作为测试的标准. 很显然, 在增加测试内容会相当大的提高晶体生产的成本. 利用适当的测试仪器可以很快地进行DLD极限值的测定,但是只能进行合格/不合格的测试.IEC草案248覆盖了根 石英晶体的应用 一.石英晶体元器件的分类和相关术语 石英晶体元器件一般分为三大类，即石英晶体谐振器，石英晶体振荡器和石英晶体滤波器。 1．1 石英晶体谐振器 相关的术语 标称频率晶体元件规范指定的频率 串联谐振频率(Fs) 等效电路中串联电路的谐振频率 并联谐振频率(Fp) 等效电路中并联电路的谐振频率 负载频率(FL) 晶体带负载时的频率 负载电容(CL) 与谐振器联合决定工作频率的有效外界电容 静电容(C0) 等效电路中与串联臂并联的电容 动电容(C1) 等效电路中串联臂中的电容 动态电感(L1) 等效电路中串联臂中的电感 动态电阻(R1) 等效电路中串联臂中的电阻 频率精度工作频率与标称频率的偏差 等效电阻(ESR) 谐振器与规定的负载电容串联的总阻抗 频率温度特性频率随温度变化的特性 室温频率偏差谐振器在室温下频率的偏差 频率/负载牵引系数(Ts) 负载电容对频率影响的能力 老化率晶体频率随时间的漂移 Q值晶体的品质因数 激励功率（电平）谐振器工作时消耗的功率 激励功率依赖性(DLD) 谐振器在不同激励功率下参数的特性 温度频率偏差频率随温度变化与标称频率的偏差 工作温度范围谐振器规定的工作温度范围 泛音晶体的机械谐波 寄生响应晶体除主响应(主频率)外的其他频率的响应 1．2 石英晶体振荡器 石英晶体振荡器是目前精确度和稳定度最高的振荡器。石英晶体振荡器是由品质因素极高的谐振器（石英晶体振子）和振荡电路组成。晶体的品质、切割取向、晶体振子结构及电路形式等因素共同决定了振荡器的性能。 相关术语 标称频率晶体元件规范指定的频率 频率温度特性振荡频率随温度变化而改变的特性 长期频率稳定度振荡器长时间工作频率的稳定性 短期频率稳定度振荡器短时间工作频率的稳定性 温度频率偏差振荡频率随温度的偏差 室温频率偏差在室温时振荡频率的偏差 起振时间振荡输出达到规定值的时间 上升时间(方波输出）方波输出时波形从10%到90%所需的时间 下降时间(方波输出）方波输出时波形从90%到10%所需的时间 晶体振荡器的基本知识 下图是石英晶体谐振器的等效电路。图中C0是晶体作为电介质的静电容，其数值一般为几个皮法到几十皮法。Lq、Cq、rq是对应于机械共振经压电转换而呈现的电参数。rq是机械摩擦和空气阻尼引起的损耗。由图3-1可以看出，晶体振荡器是一串并联的振荡回路，其串联谐振频率fq和并联谐振频率f0分别为 f q=1/2πLqCq，f0=f q Co 1 Cq/ 图1晶体振荡器的等效电路 当W＜Wq或W>Wo时，晶体谐振器显容性；当W在Wq和Wo之间，晶体谐振器等效为一电感，而且为一数值巨大的非线性电感。由于Lq很大，即使在Wq 处其电抗变化率也很大。其电抗特性曲线如图所示。实际应用中晶体工作于Wq~Wo之间的频率，因而呈现感性。 图2晶体的电抗特性曲线 设计内容及要求 一设计目的及主要任务 1设计目的 掌握高频电子电路的基本设计能力及基本调试能力，并在此基础上设计并联变换的晶体正弦波振荡器。 2并联型晶体振荡器 图3c-b型并联晶体振荡器电路 图4皮尔斯原理电路图5交流等效电路 C3用来微调电路的振荡频率，使其工作在石英谐振器的标称频率上，C1、C2、C3串联组成石英晶体谐振器的负载电容C L上，其值为 C L=C1C2C3/(C1C2+C2C3+C1C3) C q/(C0+C L)<<1 二详细设计步骤 1、电路的选择 晶体振荡电路中，与一般LC振荡器的振荡原理相同，只是把晶体置于反馈网络的振荡电路之中，作为一感性元件，与其他回路元件一起按照三端电路的基本准则组成三端振荡器。根据实际常用的两种类型，电感三点式和电容三点式。由于石英晶体存在感性和容性之分，且在感性容性之间有一条极陡峭的感抗曲线，而振荡器又被限定在此频率范围内工作。该电抗曲线对频率有极大的变化速度，亦即石英晶体在这频率范围内具有极陡峭的相频特性曲线。所以它具有很高的稳频能力，或者说具有很高的电感补偿能力。因此选用c-b型皮尔斯电路进行制作。 图6工作电路 2、选择晶体管和石英晶体 根据设计要求， 选择高频管2N3904型晶体管作为振荡管。查手册其参数如下：? T =300MHz；?≥40， 取?=60；NPN型通用；额压：20V；Icm=20mA；Po=；? ?≈? T /?=5MHz。 石英谐振器可选用HC-49S系列，其性能参数为： 标称频率?。=6MHz；工作温度：-40℃~+70℃；25℃时频率偏差：士3×10-6士30×10-6；串联谐振电阻：60 ；负载电容：C L=10PF,激励功率：~。 3、元器件参数的计算 a）、确定三极管静态工作点 正确的静态工作点是振荡器能够正常工作的关键因素，静态工作点主要影响晶体管的工作状态，若静态工作点的设置不当则晶体管无法进行正常的放大，振荡器在没有对反馈信号进行放大时是无法工作的。振荡器主电路的静态工作点主要由R b1、R b2、R e、R决定，将电感短路，电容断路，得到直流通路如图所示。 图7直流通路等效电路 高频振荡器的工作点要合适，若偏低、偏高都会使振荡波形产生严重失真，甚至停振。取I CQ I b2=10I BQ=，则取： b1b2 b）、交流参数的确定 对于振荡器，当电路接为并联型振荡器时，晶体起到等效电感的作用，输出频率应为6MHZ，则由晶振参数知负载电容C L=10pF，即C2，C3，C1串联后的总电容为10pF根据负载电容的定义，C L=1/[(1/C1,2)+1/C3] 由反馈系数F=C1/C2和C1,2=C1C2/C1-C2两式联立解，并取F=1/2电工电子元器件认识 - 石英晶体谐振器与集成稳压电路
常用的压电材料分类
石英晶体基础知识
石英晶体振荡器原理
陶瓷封装对石英晶体谐振器的仿真研究_吴荣兴
压电现象、声波及器件应用
电子材料与元器件教学大纲
石英晶体基础知识
压电元件及压电感器
石英晶体元器件概述
基于石英晶体的正弦波振荡器设计报告
《电子材料与器件》课程教学大纲
年产15000万只SMD-G型石英晶体谐振器项目
石英晶体谐振器参数
石英晶体的应用(DOC)
基于石英晶体的正弦波振荡器multisimnewto st