我们常常问,晶体元器件是什么?

晶体元器件为电子系统提供稳定的频率信号,控制电子系统有效地工作,按照一定时序,确保系统功能的实现。因为晶振输出的频率是一个非常稳定的频率信号,因此被称为在电子系统中的心脏。让各个系统按照规定的时间完成任务。

有源类器件与无源类器件


(资料图片仅供参考)

晶体类,诸如谐振器,是无源类器件,它的内部只有一个石英晶片,配合系统实现频率控制。像电阻电容一样,是一个无源器件,需配合整个电路实现频率控制的功能。石英谐振内部的石英晶片是一个稳定的选频器件,它的有效电路相当于一个阻容感的电路组合。根据石英晶体的材料特性,它有特殊的选频功能,能够输出非常稳定的频率信号,从而实现整个系统的功能。它可以做频率控制、滤波器和高端的晶体振荡器。高端的晶体振荡器,内部就是采用无源封装,并搭建特殊的电路。由于石英材料特性稳定,可以大量生产,并且价格低廉,因此其应用非常广泛。

晶振类,诸如振荡器,是有源类器件,它供上电,就可以输出频率,应用场景非常多。作为有源类器件,施加一定的电信号,使得石英晶体和振荡电路形成环路,就能输出稳定的频率信号。就像集成电路一样,施加电压后,就会实现它的功能。石英晶体振荡稳定,其误差为百万分之一为量级,非常微小。晶振加上电后就会实现频率信号输出,可以实现完整的频率控制功能,使用起来非常方便。

石英振荡器的发展历程

有数字电路以来,就有石英振荡器的概念。最早的振荡器用电阻和电容搭建出来的,后来发现石英材料提供一个很高的品质因素,包括稳定度、相位噪声好,振荡性能参数优异。因为石英材料Q值高,利用其特性,将很大程度提高石英材料的性能参数。从上个世纪开始,逐步得到广泛的应用。并且随着生产的加工参数、电路的发展,振荡器各种参数的发展得到显著的提升。

技术的进步对我们日常的生活的影响

我们佩戴的机械手表,价格相应比较昂贵,它的精度每天变化范围为五到十秒。我们日常生活中见到的基本是石英手表,价格虽然很便宜,但保持很高的精度,一个月变化范围在两到三秒之内。

Q值即品质因素,是体现频率稳定的参数。Q值越高,稳定度越高。以往的机械手表的品质因子(即Q值)比较低,因此,机械手表误差大,不准确。石英晶体的Q值很高,因此石英手表的精度很高。

产品特性

晶振的工作原理是石英晶体的压电效应。给晶体施加一定的压力,产生一定的电荷。如果施加一定的电流或电压,就会产生一定的形变。压力和电荷出现谐振后,就会振荡在固有的频率上。我们常用的AT石英材料,薄片,频率和厚度成反比。生产过程中通过研磨、镀膜等各种工艺,把晶片减薄成我们要求的频率。

晶振产品由石英晶片和芯片构成的,外边还有一个基座,石英晶片非常薄,最薄的只有十几微米的厚度,晶片两面镀上金电极,搭配振荡电路,可以产生稳定的输出信号。由于金电极是纯金,具有很好的稳定性,应用于航天器等高可靠要求的场合中。

如何设计新产品?

航天科工203所基于用户对性能参数、指标的要求,基于石英材料特性,根据设计规范,开发出新的产品。并采用新的石英芯片,采用特殊工艺参数的加工,其中包括切形、切角、厚度、外形尺寸、性能参数等指标,重新设计,进行工艺改进,以此满足用户性能指标的各种要求。设计成新产品后,还要经过各种试验,包括力学环境试验、温度环境试验的各种考核,达到我们对新产品的要求,实现新产品的开发。

持续攻关,提高指标

研发过程中会遇到各种困难。诸如面临石英晶片的加工,随着频率的不断升高,晶片厚度比头发丝要薄的十几微米,到几百兆频率。203所采取特有的特殊工艺,实现了薄晶片的制作。由于晶振的体积越来越小,性能指标越来越高,这样就对芯片提出更高的要求。我们不断尝试新的芯片,调试各种芯片的参数,实现产品的小型化。在研制高频高性能小型化晶体中面临各种困难,通过不断试验,不断攻关,不断地对参数进行调试,实现产品的研制。

此外,在型号装备中,对元器件的可靠性提出了非常高的要求。例如航天器长期在轨运行,需要全面提升元器件的质量,通过对每一个器件性能进行全面考核,达到航天器的指标要求。

设计上变更,源头上改进

研发团队通过大量攻关,全面了解芯片内部的参数,了解石英材料的特质,以及产品的实现工艺,从而完成了多数产品的能力提升。并且完成了新产品的鉴定检验和环境试验评估,确保产品可靠性,满足用户长期工作和高可靠的要求。

203所的晶体元器件已经广泛应用在空间站等场景。203所为重大工程建设提供了高可靠的元器件,保证了重大任务的完成。目前,203所持续攻关,攻克更高更难的技术问题,达到更高的指标要求,为国家的经济建设做出自己的一份贡献。(吴巍、睢建平)

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