航天晶体元器件发展趋势分析

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1、静冬晶。侉无1器竹文展趋赣今尊同伟平潘立虎叶林郑文强(航天科I集团公司二院203所．北京．100854)文摘：回顾航天晶体元器件的发展历史，分析当前晶体元器件国内外技术现状，结合航天需求的变化形势，研究航天晶体元器件的发展趋势，并提出航天晶体元器件发展建议与措施。关键词：晶体元器件；石英谐振器；晶体振荡器；晶体滤波器；航天元器件。自1880年Currie兄弟发现压电效应以来．压电材料和压电器件的研究和生产发展极为迅速，压电器件已广泛应用于电子技术、通讯、自动控制、航空以及航天等许多领域。成为当前高技术的主要研究方向之一。其

2、中．晶体元器件是当今研究、应用最广泛的压电器件。几十年来，我国在晶体材料和晶体器件的研制、生产和应用方面都得到了很大的发展．但与国外最高水平相比仍存在不小的差距。主要表现是：产品仍以中、低档产品为主。尤其是用于卫星、火箭和导弹等高技术含量领域的晶体元器件产品．还未达到国际先进水平。这与我国航天大国地位不相适宜。1晶体元器件的发展历史1．1概述1880年Currie兄弟发现天然石英晶体(a—SiO：)具有压电效应；1916年用石英晶体制成水下发射／接收换能器，并利用其采月J回波法探测沉船和海底；1921年相继研制成功石英谐振

3、器、晶体振荡器和晶体滤波器。开创了石英晶体元器件在频率控制和频率选择领域的应用。二战开始后。作为战略物资的天然石英晶体来源紧《航天标准化》2010年第2期缺。推动了人造石英晶体的研制合成工作；20世纪50年代以后．人造石英晶体开始工业化生产：由于解决了制造石英晶体元器件关键材料的问题。在20世纪最后的30年间．石英晶体元器件获得了飞速发展。成为电子信息产业发展中不可缺少的重要元器件。1．2压电效应Currie兄弟发现压电效应．为晶体元器件的发展奠定了理论基础。石英晶体材料具有压电效应．所谓压电效应，即用机械的方法在晶体上引

4、起应变而产生的电极化形成正压电效应(如图1所示)。反过来用极化电场在晶体上产生机械应变则形成逆压电效应。利用逆压电效应，在石英晶片上镀上电极。并使两电极间产生电位差。由于电场的作用出现机械应变．机械应变产生交变电场，而且随电场改变正负号．交变电场发生作用又产生交变应变。如果所加电场频率接近一个谐振频率时．应变将变得很大．即石英晶体谐振器发生谐振。对于AT切石英晶体谐振器。工作时厚度切变的频率疋为：六：寺停式中：P为石英片的密度(p=2．6549／era3)；t一1l一为石英片的厚度；n为泛音次数；正为n次泛音频率；C7酯为

5、一个弹性刚度常数，它是切角、结构应力的函数。由晶体厚度切变的频率方程可知．晶片的谐振频率与晶片的厚度、切角和结构应力有关。嗟§酋营图1厚度切变振动模式的压电效应示意图1．3晶体元件——石英谐振器利用晶体材料逆压电效应．首先研制出晶体元件石英谐振器．俗称晶体或晶体谐振器，是无线电通讯、控制用的基本元件，由于其自身的品质因素(p值)很高，因此其频率的稳定性很高．目前已极其广泛地应用到火箭、卫星、导弹、飞机等航天、航空领域。航天领域具体包括航天器系统、推进器系统、地面发射、控制系统等。由于石英谐振器正是所有频率信号产生的最关键元

6、件。因此。石英谐振器在应用领域通常被称为系统的“心脏”元件。这个元件一旦出现失效，其所处的系统就会出现瘫痪，如同人体心脏停止跳动一样可怕。石英谐振器主要由石英晶片、电极、支架和外壳组成。电气性能方面。石英谐振器可以用图2等效电路来表示，其中尺。、C。、厶串联，表示晶体的动态参数。厶是石英晶体质量的度量；C。则和石英晶体的稳定性有关；电阻R。则是由晶片的切型、尺寸、电极等来决定的，加工条件、装架形式等也对它有很大影响．它是一个直接影响石英晶体工作效率的重要参数。co表示晶体的静态电容．石英晶体的这些等效参数可以用传输法、阻抗

7、计法等测量和计算出来。一12一co图2石英谐振器等效电路应差蛊瑾厘箧壁笈屋庭差左蕴：厦笸垩差1．4晶体器件——晶体振荡器利用晶体元件——石英谐振器为基础加上起振电路，于是便产生了晶体振荡器。如图3所示。晶体振荡器接上电源和地。在输出端可以直接输出振荡频率供系统使用，属于有源器件。可作为频率源用于各种通讯、控制领域。oIltput图3普通晶体振荡器示意图依据电路形式的不同．晶体振荡器先后产生了许多种类。对石英谐振器直接加上振荡电路和整形放大电路则为普通晶体振荡器：对石英谐振器增加温度补偿电路．再加上振荡电路和整形放大电路则为

8、温补晶体振荡器。如图4所示；对石英谐振器增加温控电路．再加上振荡电路和整形放大电路则为恒温晶体振荡器：对石英谐振器增加负载控制电路．再加上振荡电路和整形放大电路则为压控晶体振荡器。从稳定度性能进行评价．普通晶体振荡器和压控晶体振荡器可以达到lxlO-5．温补晶体振荡器可以达到1X10-6。恒温体振荡器可