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什么是晶體元器件？技術(shù)的進步對我們?nèi)粘５纳畹挠绊?/h1>
2023-08-12 04:08:04    來源：教育信息網(wǎng)

我們常常問，晶體元器件是什么？

晶體元器件為電子系統(tǒng)提供穩(wěn)定的頻率信號，控制電子系統(tǒng)有效地工作，按照一定時序，確保系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。因為晶振輸出的頻率是一個非常穩(wěn)定的頻率信號，因此被稱為在電子系統(tǒng)中的心臟。讓各個系統(tǒng)按照規(guī)定的時間完成任務(wù)。

有源類器件與無源類器件


(資料圖片僅供參考)

晶體類，諸如諧振器，是無源類器件，它的內(nèi)部只有一個石英晶片，配合系統(tǒng)實現(xiàn)頻率控制。像電阻電容一樣，是一個無源器件，需配合整個電路實現(xiàn)頻率控制的功能。石英諧振內(nèi)部的石英晶片是一個穩(wěn)定的選頻器件，它的有效電路相當于一個阻容感的電路組合。根據(jù)石英晶體的材料特性，它有特殊的選頻功能，能夠輸出非常穩(wěn)定的頻率信號，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能。它可以做頻率控制、濾波器和高端的晶體振蕩器。高端的晶體振蕩器，內(nèi)部就是采用無源封裝，并搭建特殊的電路。由于石英材料特性穩(wěn)定，可以大量生產(chǎn)，并且價格低廉，因此其應(yīng)用非常廣泛。

晶振類，諸如振蕩器，是有源類器件，它供上電，就可以輸出頻率，應(yīng)用場景非常多。作為有源類器件，施加一定的電信號，使得石英晶體和振蕩電路形成環(huán)路，就能輸出穩(wěn)定的頻率信號。就像集成電路一樣，施加電壓后，就會實現(xiàn)它的功能。石英晶體振蕩穩(wěn)定，其誤差為百萬分之一為量級，非常微小。晶振加上電后就會實現(xiàn)頻率信號輸出，可以實現(xiàn)完整的頻率控制功能，使用起來非常方便。

石英振蕩器的發(fā)展歷程

有數(shù)字電路以來，就有石英振蕩器的概念。最早的振蕩器用電阻和電容搭建出來的，后來發(fā)現(xiàn)石英材料提供一個很高的品質(zhì)因素，包括穩(wěn)定度、相位噪聲好，振蕩性能參數(shù)優(yōu)異。因為石英材料Q值高，利用其特性，將很大程度提高石英材料的性能參數(shù)。從上個世紀開始，逐步得到廣泛的應(yīng)用。并且隨著生產(chǎn)的加工參數(shù)、電路的發(fā)展，振蕩器各種參數(shù)的發(fā)展得到顯著的提升。

技術(shù)的進步對我們?nèi)粘５纳畹挠绊?/strong>

我們佩戴的機械手表，價格相應(yīng)比較昂貴，它的精度每天變化范圍為五到十秒。我們?nèi)粘Ｉ钪幸姷降幕臼鞘⑹直?，價格雖然很便宜，但保持很高的精度，一個月變化范圍在兩到三秒之內(nèi)。

Q值即品質(zhì)因素，是體現(xiàn)頻率穩(wěn)定的參數(shù)。Q值越高，穩(wěn)定度越高。以往的機械手表的品質(zhì)因子（即Q值）比較低，因此，機械手表誤差大，不準確。石英晶體的Q值很高，因此石英手表的精度很高。

產(chǎn)品特性

晶振的工作原理是石英晶體的壓電效應(yīng)。給晶體施加一定的壓力，產(chǎn)生一定的電荷。如果施加一定的電流或電壓，就會產(chǎn)生一定的形變。壓力和電荷出現(xiàn)諧振后，就會振蕩在固有的頻率上。我們常用的AT石英材料，薄片，頻率和厚度成反比。生產(chǎn)過程中通過研磨、鍍膜等各種工藝，把晶片減薄成我們要求的頻率。

晶振產(chǎn)品由石英晶片和芯片構(gòu)成的，外邊還有一個基座，石英晶片非常薄，最薄的只有十幾微米的厚度，晶片兩面鍍上金電極，搭配振蕩電路，可以產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出信號。由于金電極是純金，具有很好的穩(wěn)定性，應(yīng)用于航天器等高可靠要求的場合中。

如何設(shè)計新產(chǎn)品？

航天科工203所基于用戶對性能參數(shù)、指標的要求，基于石英材料特性，根據(jù)設(shè)計規(guī)范，開發(fā)出新的產(chǎn)品。并采用新的石英芯片，采用特殊工藝參數(shù)的加工，其中包括切形、切角、厚度、外形尺寸、性能參數(shù)等指標，重新設(shè)計，進行工藝改進，以此滿足用戶性能指標的各種要求。設(shè)計成新產(chǎn)品后，還要經(jīng)過各種試驗，包括力學(xué)環(huán)境試驗、溫度環(huán)境試驗的各種考核，達到我們對新產(chǎn)品的要求，實現(xiàn)新產(chǎn)品的開發(fā)。

持續(xù)攻關(guān)，提高指標

研發(fā)過程中會遇到各種困難。諸如面臨石英晶片的加工，隨著頻率的不斷升高，晶片厚度比頭發(fā)絲要薄的十幾微米，到幾百兆頻率。203所采取特有的特殊工藝，實現(xiàn)了薄晶片的制作。由于晶振的體積越來越小，性能指標越來越高，這樣就對芯片提出更高的要求。我們不斷嘗試新的芯片，調(diào)試各種芯片的參數(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品的小型化。在研制高頻高性能小型化晶體中面臨各種困難，通過不斷試驗，不斷攻關(guān)，不斷地對參數(shù)進行調(diào)試，實現(xiàn)產(chǎn)品的研制。

此外，在型號裝備中，對元器件的可靠性提出了非常高的要求。例如航天器長期在軌運行，需要全面提升元器件的質(zhì)量，通過對每一個器件性能進行全面考核，達到航天器的指標要求。

設(shè)計上變更，源頭上改進

研發(fā)團隊通過大量攻關(guān)，全面了解芯片內(nèi)部的參數(shù)，了解石英材料的特質(zhì)，以及產(chǎn)品的實現(xiàn)工藝，從而完成了多數(shù)產(chǎn)品的能力提升。并且完成了新產(chǎn)品的鑒定檢驗和環(huán)境試驗評估，確保產(chǎn)品可靠性，滿足用戶長期工作和高可靠的要求。

203所的晶體元器件已經(jīng)廣泛應(yīng)用在空間站等場景。203所為重大工程建設(shè)提供了高可靠的元器件，保證了重大任務(wù)的完成。目前，203所持續(xù)攻關(guān)，攻克更高更難的技術(shù)問題，達到更高的指標要求，為國家的經(jīng)濟建設(shè)做出自己的一份貢獻。（吳巍、睢建平）

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