石英晶体的切割：揭秘6种不同的切割工艺

石英晶体切割：AT、BT、SC、CT

查看石英谐振器的规格时，经常会提到石英晶体切割。AT-cut、CT-cut 和 SC-cut 等术语的出现与晶体的操作有很大关系。

石英晶体切割对晶体谐振器操作的许多方面都有重大影响，对于获得所需的性能至关重要。了解水晶切割是什么以及它如何影响操作是获得正确整体性能的关键。

不同的电子设计使用不同的切口

 

水晶切割：基础知识

石英晶体具有复杂的结构，但所有晶体的结构都是相同的。不同的石英晶体切割是相对于晶体的主轴（x、y 和 z 轴）定义的。

有无数种方法可以相对于毛坯晶体的 x、y 和 z 轴进行切割，但多年来，人们对不同切割的特性进行了研究，并发现了可以最大限度地提高其特性的特定切割方法。给定的应用和电子电路设计。

石英晶体与其他压电材料一样具有各向异性。这意味着它的许多特性，包括机械、电学和光学特性，都取决于主晶格的轴。

因此，从主晶体切割石英晶体毛坯的方式的角度限定了最终石英晶体谐振器的许多特性。主要有弯曲模态、温度系数、老化性能、频率稳定性、Q值、活性水平等。

各种“剪切”有不同的名称，有些在某些应用中很流行，有些在其他应用中广泛使用。此外，随着多年来新削减措施的推出，一些削减措施也已被搁置。

 

 

一些基本切割包括沿轴切割。然后根据它们垂直的平面对切口进行标记。

这些削减现在很少使用，因为人们发现其他削减可以为现代应用程序提供更好的性能水平。

 

 

在当今 RF 和时钟应用所使用的切割中，AT、BT 和 SC 切割是迄今为止最重要的。

石英晶体切割的发展

石英晶体在 20 世纪 20 年代初和 20 世纪 30 年代初期被广泛用于发射机。与原本使用的 LC 振荡器相比，它们的稳定性有了显着提高。即使对 LC 振荡器的稳定性进行了优化，石英晶体的性能也明显更好。

20年代末，美国、德国和日本的一些研究小组发现，早期广泛使用的Y切割的温度系数可以得到显着改善，甚至在某些温度下可以为零。

为了开发这些电子元件，我们进行了大量研究，考虑到与今天相比，我们的能力有限，因此开发它们需要时间。

 

1934 年，贝尔实验室的 Lack 和 Willard 开发了 AT 切割晶体，并在 1934 年 7 月版的贝尔实验室杂志上发表了一篇论文，题为“石英晶体电路元件的一些改进”。

他们的另一项开发成果是 BT 切割晶体，它也具有许多良好的特性，但并未得到广泛应用。

尽管 SC 切割石英晶体在 20 世纪 70 年代开始出现用于水晶炉等，但 AT 切割石英晶体至今仍是使用最广泛的类型。它由 Holland 博士于 1974 年首次提出。美国陆军通信兵队的 E. EerNisse 在 1975 年发表的一篇论文预测，坐标为 φ = 22.5° 和 θ = -34.3° 的谐振器将产生频率变化较低的谐振器，因为机械应力。这就产生了 SC（应力补偿）这一名称。

主要水晶切工总结

可以定义无限数量的晶体切割。然而，有些已经定义了特别有用的属性，并且这些切割已被赋予特定的名称。

• AT切割：   石英晶体的AT切割通常用于0.5至300MHz之间的频率，并且具有厚度剪切振动模式。

它是使用最广泛的切割，特别用于电子仪器等，其中要求振荡器在 500 kHz 至 300 MHz 左右的范围内运行，尽管随着技术的发展，上限正在增加。

鉴于其受欢迎程度和广泛使用，AT 切割的更多细节如下所示。

• BT 切割：   这是与 AT 切割类似的另一种切割，以厚度剪切模式振动，通常用于 0.5 至 200 MHz 的频率。

它使用不同的角度：与 z 轴成 49°。它提供可重复的特性，频率常数为 2.536 MHz/mm。然而，温度稳定性特性不如AT cut，但由于其较高的频率常数，可以更容易地用于较高频率的操作。

• GT 切割：   石英晶体的 GT 切割通常用于约 0.1 至 2.5 MHz 之间的频率，并且使用宽度延伸振动模式。

它以51°7'的角度切割，由于具有不同温度系数的两种振动模式相互抵消的影响，在+25°C和+75°C之间具有几乎为零的温度系数。

• IT 切割：   此切割使用厚度剪切模式，用于约 0.5 至 200 MHz 之间的频率。

这种水晶切工与 SC 非常相似。然而，由于晶体炉需要在 80 - 90°C 范围内工作，此选项克服了在这些温度下使用 SC 的困难。IT 切割的上转点介于 85 至 105°C 之间，但它不具有 SC 的较低机械应力敏感性水平。

• SC 切割：   这种水晶切割用于约 0.5 至 3200 MHz 之间的频率。

这种切割是在 20 世纪 70 年代末开发的，专门用于精密水晶炉，但它确实需要更复杂的制造工艺，因为需要双角度旋转以及随后的精密研磨。

鉴于其重要性，下文将给出有关此次削减的更多细节。

• XY 切割：   这种切割本质上是一种晶体切割格式，用于频率通常在 5 至 100 kHz 之间的低频应用。它采用长宽弯曲模式。

这种水晶切割广泛用于低频，其中一个常见频率是 32.768 kHz。它的优点是频率非常小，比其他低频晶体类型便宜，此外它还具有低阻抗和低 Co/C1 比。

AT石英晶体切割

AT 切割应用最广泛，尤其适用于电子仪器、无线电系统、微处理器时钟以及需要振荡器在 500 kHz 至 300 MHz 左右范围内运行的许多其他应用。随着技术的发展，上限正在增加。然而，顶部频率通常以泛音模式工作，因为晶体在高频下变得非常薄。

石英晶体 AT 切割 - 与 Z 轴 35° 35'

 

 

 

如图所示，该石英晶体与 Z 轴成 35° 25' 角切割。晶体毛坯沿晶轴方向切割，然后将毛坯机加工并精加工至所需尺寸。

这种石英晶体切割的优点之一是温度系数。在 26°C 时该值变为零，甚至其两侧也相对平坦，尤其是与其他切割相比。

 

AT切割晶体温度系数随温度的变化

尽管对于大多数应用，通常使用 AT 切割的精确参数，但稍微改变该值的切割角度会稍微改变属性。

 

BT石英晶体切割

BT 切割水晶与 AT 切割水晶大约在同一时间推出。它比同等 AT 切割晶体厚约 50%，并且仍然使用厚度剪切模式。

然而，越厚，晶体就越厚，因此在更高的频率下就越坚固——正如所预料的那样，晶体随着频率的增加而变得更薄。

然而，它的缺点是它的温度特性比 AT 切割石英晶体差，这是由于较高的频率常数造成的。即便如此，BT 切割晶体仍用于较高频率的应用，特别是需要基频操作而不是泛音操作的情况。

SC石英晶体切割

SC 用于描述这种类型的石英晶体切割，代表“应力补偿”。它是专门为精密晶体炉而开发的，其中一些关键要求是对热和机械应力的低敏感性。

另一个重要因素是 SC 切割晶体提供良好的相位噪声和老化特性。恒温晶体振荡器 (OCXO) 通常所需的特性。

此切割使用基本轴的双重旋转：35°15' 和 21°54'。虽然它具有出色的老化和稳定性特性以及出色的相位噪声性能，但它具有较高的 ESR，并且更容易受到寄生谐振的影响。

SC 切割的困难之一是它在制造过程中产生困难，因为 SC 切割中使用的复合角度的要求增加了测量角度以及随后在后续研磨和抛光过程中维护角度的成本。SC 切割的公差很严格。它们通常需要 ±10" 的公差，而 AT 切割则需要 ±30" 的公差。

 

有很多水晶切割可供选择。一些多年前可用和使用的技术已经不再使用，因为它们已被现在采用更先进的制造技术的高级切割技术所取代。