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石英晶體諧振器的開發(fā)和利用,拓寬了電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。高精尖電子設(shè)備中的振蕩器,幾乎都采用石英晶體振蕩器。石英晶體是硅石的一種。天然和人工制造的石英晶體都是六角椎體,具有各向異性的物理特性。按其自然形狀有三個(gè)對(duì)稱軸,電軸X,機(jī)械軸Y,光軸Z。石英晶體諧振器中的各種晶片,就是按與各軸不同角度,切割成正方形、長方形、圓形、或棒形薄片。不同切片的晶片振動(dòng)形式不同,性能不同。為了把晶體切片接入電路,必須將晶片裝置在支架上,并引出接線,然后封裝在真空玻璃外殼或金屬外殼內(nèi)。
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)外晶體振蕩器性能越來越優(yōu)異,應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛。其中在傳感器技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用就是一個(gè)典型的例子。在水平姿態(tài)傳感器領(lǐng)域中,雖然有電阻應(yīng)變式、半導(dǎo)體壓阻式、電容式、電磁式、光纖式、振弦式、硅諧振式以及石英諧振式等各種形式。但是數(shù)字式壓電石英水平傳感器以其精度高、響應(yīng)快、數(shù)字輸出、線性度高、穩(wěn)定性好、抗干擾能力強(qiáng),以及無活動(dòng)部件和反饋回路等特點(diǎn)而成為現(xiàn)代傳感器發(fā)展中的重點(diǎn)。
在電子元器件中石英晶體振蕩器是最易碎的元件之一。這并不奇怪，因?yàn)檎袷幤骼锏氖⒕w諧振器是由一個(gè)很薄的結(jié)晶體組成的，就像一個(gè)大的圓空AT-cut晶體被金屬夾固定在一個(gè)金屬殼里。這種結(jié)構(gòu)不能耐受高出50～100 g太多的振動(dòng)強(qiáng)度。這類晶體振蕩器非常適合大型臺(tái)式儀器和類似的設(shè)備，但不太適用于對(duì)高振動(dòng)性要求很高的應(yīng)用領(lǐng)域，如掌上電腦和軍需設(shè)備。在這些設(shè)備中，加速度達(dá)到千個(gè)甚至萬個(gè)g。很明顯，一般的晶體結(jié)構(gòu)在此類應(yīng)用中是不合適的。
推動(dòng)石英晶體和振蕩器結(jié)構(gòu)變化的動(dòng)力來自對(duì)電子器件小型化的不斷追求。伴隨著照相機(jī)平版印刷的發(fā)展和加工石英晶體的化學(xué)工藝的進(jìn)步，小型化邁出了關(guān)鍵的一步。這種新的處理工藝來自曾用于硅工業(yè)的一些技術(shù)，能夠精確地磨制出小于1mm尺寸的石英/晶體，并能精確到幾微米。在小型化進(jìn)程中很重要的另一步是將晶體牢牢固定于一個(gè)粗糙機(jī)架的陶瓷封裝技術(shù)得到發(fā)展。由此，這種制造與構(gòu)造工藝成為了石英晶體小型化不成文的標(biāo)準(zhǔn)。
幸運(yùn)的是，石英晶體振蕩器的小型化還帶來了額外的好處，那就是大大提高了它們沖擊與振動(dòng)的耐受性。因?yàn)槌叽缧�，諧振器質(zhì)量較低，也因此對(duì)諧振器的力也較小。如果使用強(qiáng)安裝材料，諧振器就不會(huì)因?yàn)榧铀俣忍蟮粝聛恚鼤?huì)被牢牢固定在本來的位置上。進(jìn)一步而言，由于它的小尺寸（短空白大小或短音叉齒）諧振器內(nèi)的剪力很小，諧振器能抵抗高振動(dòng)而不被破壞。
小尺寸的另一個(gè)附加的好處是，諧振器的最低彎曲型頻率狀態(tài)可達(dá)幾千赫茲或更高。這種情形至少會(huì)帶來兩個(gè)好處。第一個(gè)，由于振動(dòng)到來之前大約1mm或更長時(shí)間會(huì)出現(xiàn)振動(dòng)，可作為類似靜電噪聲的脈沖處理。在任何指定時(shí)段內(nèi)的振動(dòng)可大致看做一個(gè)固定的加速度，而這個(gè)加速度太小，所以不能激活晶體的彎曲模式。第二，這種彎曲型對(duì)頻率要求非常高，振動(dòng)產(chǎn)生的頻率通常低于2kHz，所以不會(huì)被其所激活。
這在劇烈振動(dòng)應(yīng)用環(huán)境和工業(yè)制造板取代刳刨工具時(shí)期非常重要。利用這種現(xiàn)代的制造與構(gòu)造，石英晶體諧振器不再是嬌嫩易碎的東西。如今很多的制造商都能提供耐千g機(jī)械振動(dòng)力的晶體和振蕩器。即便如此，在大多數(shù)要求非常嚴(yán)格的應(yīng)用場合，普通的晶體和振蕩器并不合適，如軍用和導(dǎo)彈電子。因?yàn)檫@其中的振動(dòng)能達(dá)到幾萬g。
要滿足這些方面的要求，光是諧振器的尺寸縮小并不夠，還必須將其按照受剪力最小原則安放。舉個(gè)例子，對(duì)高振動(dòng)AT-cut晶體而言，第三點(diǎn)裝配法可用于將晶體空白的無電端設(shè)置為晶體包。用這種方法，晶體抗振動(dòng)水平能上升至100 000g。同樣地，用這種晶體結(jié)合更先進(jìn)的結(jié)構(gòu)工藝制造的振蕩器也能達(dá)到100 000g的抗振動(dòng)性。
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