石英晶体元器件技术的发展及应用

摘要：石英晶体器件是目前电子元器件领域应用最广泛的基础元件之一，可广泛用于各种电子技术应用方面。文中分析了石英晶体元器件的技术的进展，重点介绍了石英晶体振荡器和石英晶体滤波器的发展状况和今后的发展方向。指出了石英晶体元器件的主要应用领域及市场情况。
关键词：石英晶体;振荡器;滤波器;发展;市场

　　石英晶体元器件是用压电单晶石英（即水晶）制成的压电器件，它不仅具有高度稳定的物理化学性能，而且弹性振动损耗极小。与其它电子元器件相比，压电石英晶体还有着很高的频率稳定度和高Q值（高达数百万），其主要原材料人造石英水晶的价格又较低，这些十分突出的优点，使其成为稳定频率和选择频率的重要元器件。石英晶体元器件在电子整机中的应用非常广泛，从普通的儿童玩具、电子钟表到彩电、音响、VCD、微处理机、无线通讯、电视信号转播等都离不开它。随着电子信息产业的飞速发展，尤其是数字化电路的广泛应用，石英晶体元器件的市场需求量快速增长。对晶体元器件的片式化、小型化、高频率稳定度以及一些特殊要求也越来越高。近几年，国内外石英晶体元器件生产、工艺以及产品质量的技术水平都有了跨越式的发展。在此，笔者对此作些粗略分析与探讨。

1 石英晶体元器件的技术进展
   石英晶体元器件一般分为两大类，即石英晶体振荡器和石英晶体滤波器。

    1．1 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，广泛应用于全球定位系统（GPS）和移动通信等各种系统中。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。国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：即普通晶体振荡器（SPXO）、电压控制式晶体振荡器（VCXO）、温度补偿式晶体振荡器（TCXO）、电压控制式晶体振荡器（OCXO）。当前石英晶体振荡器的发展，不仅表现在系列品种的增加和市场需求量的增长方面，而且体现在产品技术创新上。技术方面主要有以下几点：

    a．小型化、薄型化和片式化  

    为满足以移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短、小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳向覆塑料金属和陶瓷封装转变，近年来TCXO器件平均缩小了30多倍，有的近100倍。采用SMD封装的TCXO的厚度不足2mm，5×3mm尺寸的器件已经上市。在几种主要类型的石英晶体振荡器中，TCXO的体积缩小最明显，其次是VCXO。石英晶体振荡器体积的进一步缩小，使得晶体振子的频率可变范围变小，并使温度补偿困难化。同时，片式封装的回流焊作业至少要在240℃下一直持续约10秒钟，如不采取局部散热措施，很难使石英晶体振子的频率偏移量控制在±0．5×10^－6范围内，需要说明的是：此类器件远未进入微型化的极限，体积的进一步缩小仍有一定的余量。
    b．高精度与高稳定化  

    移动通信技术的发展之所以能使石英晶体振荡器焕发出勃勃生机，关键在于其具有很高的频率精度和稳定度，目前即使是无补偿式的晶体振荡器，其总精度也能达到±25ppm。在TCXO、VCXO和OCXO三种类型的器件中，OCXO的频率稳定度最高，而VCXO的频率稳定度则相对稍许逊色一些。
    在0～70℃范围内，VCXO的频率稳定度一般为±20～100ppm，而OCXO在这一温度范围内的频率稳定度一般为±0．0001～5ppm。VCXO主流产品的频率稳定度大多控制在±25ppm以下，频率调整范围可达±25～±100ppm，老化率低于±2ppm／年。目前，OCXO产品的一般水平是：频率稳定度在±0．001ppm（－20～60℃），年老化率低于±0．05ppm。虽然OCXO体积较大，但在精密频率计数器、频谱及网络分析仪、基站及导航等领域中仍被广泛应用。
   c．低噪声，高频化 

    在全球定位系统（GPS）中是不允许频率颤抖的，相位噪声则是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。对OCXO器件来说，GPS系统往往要求其具有较高的抑制相位噪声的能力。这使得OCXO主流产品的相位噪声性能有了很大改善。目前除VCXO外，其它类型的晶体振荡器的最高输出频率一般不过200MHz。目前，提高VCXO振荡频率主要依靠石英晶体SAW谐振器、变容二极管、串联电感器及放大器组成的压控SAW振荡器（VCSO）来完成。
    在GSM和PDC等移动电话所有的振荡器中，频率较高的是UCV4系列压控振荡器（VCO），其频率荡围为650～1700MHz，电源电压为2．2～3．3V，工作电流为8～10mA。
    d．低功耗，启动快  

    不同类型的石英晶体振荡器的工作电压不同，但应尽可能的采用3．3V的电源电压。低电平动和低电流消耗已成为一个趋势，目前很多TCXO和VCXO产品的电流损耗不超过2mA。
    石英晶体振荡器在快速启动技术方面也取得了突破性进展。***精工、爱普生公司生产的VG－2320SC型VCXO石英晶体振荡器在±0．1ppm规定值范围内，其频率稳定时间小于4 ms。在1ms以内输出振荡信号的振幅可达到额定值的90％。***东京陶瓷公司生产的表面贴装TCXO，在振荡启动4ms后，其幅值可达到额定值的90％。OAK公司的10～25MHz的OCXO等产品则可在5分种的预热时间内达到±0．01ppm的稳定度。
    此外，目前绝大多数石英晶体振荡器的输出逻辑与TTL、高速CMOS（HCMOS）或TTL／HCMOS兼容，因而提高了器件的适应性和设计的灵活性。

    1．2 石英晶体滤波器  

    单片晶体滤波器（MCF）是在石英基片表面配置若干金属电极而构成的带通和带阻滤波器。它利用压电效应的能陷理论来选择电极振子的几何尺寸、返回频率和电极振子间矩，以控制超声波的声学耦合，从而达到滤波的目的。其特点是频率选择度十分陡峭、损耗低、稳定性好、阻带衰减高，现已在移动通信设备中大量使用，是必不可少的初级中频滤波器，对提高整机灵敏度和抗干扰能力具有重要作用。国外MCF产品实用化水平为：中心频率为几MHz～150MHz，带宽0．001～0．1％，频道间隔12．5～25kHz，最小封装尺寸为8×8×32mm，重量为0．4g。

    MCF目前的发展方向集中在开发新型压电材料、扩展带宽、减少带内延时波动、增大带外衰减、扩充和提高中频点和线性度并使封装尺寸进一步小型化和片式化。

2 石英晶体元器件的应用领域

    石英晶体元器件主要用于通信、计算机、彩色电视机、钟表、音像制品、其它家用电器、电子玩具、医用电子设备、汽车电子、广播电视设备以及仪器仪表等各个方面。
    2．1 通信 

    石英晶体元器件可大量用于电话终端机、程控交换机、移动电话、无线电话、传呼机、传真机、无线通信、微波通信、卫星通信、通信海缆工程和通信地缆工程。近几年来移动通信作为中国信息产业的支柱产业得到了高速发展，据统计，1993年中国的移动电话用户为1300万户，到1998年底已发展到2498万户，2000年已达到5000万以上，2001年，中国的移动电话用户将达到2亿。而每部电话需要三种石英晶体产品，即温度晶振、石英晶体元件及单片晶体滤波器，因此石英晶体元器件的微型化和片式化将大大促进单机的小型化发展。目前中国蜂窝移动通信市场大部分被外国公司占领，而这些外国公司的基础元器件也都是从外国直接采购的，其整机的国产化率比较低，国家每年要花费大量的外汇从国外进口基础晶体元器件。
    2．2 计算机  

    石英晶体元器件可大量用于各类大中型计算机，尤其在微机及其周边设备中用量更大。一台多媒体微机大约使用10只晶体元器件。在打印机、调制解调器、扫描仪中都要用到晶体元器件。
    2．3 钟表   

    石英晶体元器件进入钟表导致了钟表业的一次革命，它使时钟精度提高了几十倍，而又使价格和成本大幅度下降，从而使钟表业得到空前普及和发展。
    2．4 家用电器

     石英晶体元件在彩色电视接收机上的主要用途是用于副载频恢复振荡器、计时、制式转换和遥控。在音像制品方面主要用于录像机、摄像机、VCD、DVD、CD、数字像机和数字收音机等。其它家用电器如电冰箱、微波炉、电饭锅、洗衣机、空调等都使用晶体计时。另外，石英晶体元器件还可用于电子玩具：如电子游戏机、对讲机、遥控器等。
    2．5 汽车电子

     在汽车电子方面，石英晶体元器件主要用于汽车导向、功能控制、电子地图、电子定位仪和汽车音响系统。
    2．6医用电子仪器  

    在心脏起搏器、CT机、核磁共振仪、血压计等医用电子仪器仪表中，也要大量使用石英晶体元器件。
    2．7其它  

    石英晶体具有很高的频率稳定性，同时对温度和力也很敏感，采用石英晶体的测温计的温度分辩率可达到百分之一摄氏度。由于石英晶体对力的敏感更为特殊，因此，采用石英晶体的力学测量仪器既可以监测地壳的巨大应力，又可测出室内烟尘微粒的重量。