X和Z在我們眼里可能就只是普通的英文字母，但在貼片晶振產業領域卻有著，非同凡響的含義和特性，因為X和Z是石英晶體的兩條延伸矩形。早期研發晶體X和Z延伸矩形的廠家并不多，臺灣晶技公司是其中一家，這個發現奠定了后期AT切割晶振的發展和使用，以及小型化SMD晶振生產的方向。
在這項研究中，TXC晶振公司提出了不同尺寸的X和Z'拉長矩形AT切石英板的斜切工藝，等效串聯電阻（ESR），溫度曲線，溫度滯后和抗沖擊性能的不同特性。結果表明，安裝在兩個寬度側的Z'細長石英帶具有更好的溫度滯后和抗沖擊性能。對于模式耦合，斜切工藝和溫度曲線，X和Z'拉長的矩形AT切割石英板具有各自的特性。
矩形AT切割石英諧振器最初是在70年代早期開發的，因為它們體積小，易于制造。對矩形板的不同縱橫比的共振特性進行了許多研究。根據研究，可以推斷出以下內容。當矩形板的長度沿X方向并且寬厚比小（即DT切割）時，厚度剪切（TS）模式和面剪切模式之間的耦合很強[1][2]。另一方面，當矩形板的長度沿Z'方向并且板安裝在兩個寬度側上時，TS模式與彎曲模式[3][4]更強地耦合。雖然這些研究為設計人員提供了有價值的信息，但它們被認為是過時的，因為今天的石英晶體諧振器的尺寸要小得多。例如，現在典型的3225（3.2mm×2.5mm）9.8MHz封裝的石英晶體仍具有約0.17mm的坯料厚度，但坯料尺寸僅為2.1mm×1.5mm。長度與厚度和寬度與厚度之比都很小。較早的設計規則可能不再適用于較大的空白。
矩形切割石英晶體板的定向：
由于TS模式的立方頻率-溫度曲線，AT切割石英晶體具有高溫度穩定性，廣泛應用于晶體諧振器應用中。

圖1.石英條的全局坐標和本地AT切割板坐標

如圖1所示，虛擬切片（板）最初相對于全局晶軸+X，Y和Z對齊，并且該板被定義為具有Y方向的法線。然后，對于AT切割，板繞+X軸逆時針旋轉約35°15'，Y軸和Z軸隨著Y'和Z'軸一起移動，Y'是新的法線方向。為了小型化，石英晶振的封裝類型從DIP（雙平面內）改變為SMD（表面貼裝器件），并且石英晶體芯片從圓形變為條形。不同的長寬比，即圖2中所示的X和Z'細長，導致不同的模耦合，能量俘獲和應力-頻率特性。

圖2.（a）X-拉長和（b）Z-拉長矩形AT切石英板

X和Z'延長的矩形切割石英芯片的特性：
在本節中，介紹了X和Z'延長矩形AT切石英板的斜切頻率偏移，ESR，頻率-溫度曲線，溫度滯后和抗沖擊性。
斜角頻移：
斜切是一種使石英帶的中心區域更厚的形狀以捕獲振動能量并最小化安裝損耗的過程。隨著斜切過程的進行，晶體板的邊緣變薄，并且TS模式頻率變得越來越高。然而，由于斜切而導致的TS模式頻率增加率對于X和Z'細長板是不同的，因為單晶石英是各向異性材料并且剛度常數在X和Z'方向上是不同的。

圖3.（a）X-細長和（b）Z'細長輪廓矩形AT切石英晶體板

圖4顯示了12MHz壓電晶體示例。斜切前這兩塊石英晶片的厚度均為0.173mm，但尺寸為1.803mm（X）×1.230mm（Z'）（X-拉長）和1.230mm（X）×1.803mm（Z'）（Z'-拉長）。在這種情況下，Z'拉長的一個在斜切過程中具有更快的TS模式頻率增加率。

圖4.斜切過程中X和Z'拉長晶體板的TS模式頻率增加率

頻率-溫度曲線：
AT和DT切割都是在同一晶面中的剪切模式，如圖5所示，但主要區別在于頻率-溫度特性。AT切割板的法線為Y'軸，運動為厚度剪切;但是，DT切割板的法線是Z'軸，運動是面剪切。由于晶體板的Z'尺寸的變化，AT切割TS模式將周期性地與DT切割面剪切模式耦合，并且將影響頻率-溫度。

圖5.AT切割TS模式和DT切割面剪切模式的圖示

圖6顯示了具有相同厚度和切割角但不同長寬比的兩個晶振組的頻率-溫度曲線。兩組的厚度和切角分別為0.045mm和35.23°。但晶體板尺寸為3.5mm（X）×1.785mm（Z'）（X-拉長）和1.785mm（X）×3.5mm（Z'）（Z'拉長）。這兩組具有不同的溫度曲線，甚至切角也是相同的。

圖6.具有相同切割角但不同長寬比的兩個諧振器組的溫度曲線

等效串聯電阻：
在最后一節之后，圖7顯示了3.2節中兩組的ESR（25℃）。Z'和X伸長組的電極面積為1.42mm×0.72mm;然而，Z'細長諧振器的ESR遠小于X細長諧振器的ESR。ESR差異的主要原因是AT和DT切割模式耦合以及沿X和Z'軸的X方向位移場的不同分布。

圖7.具有相同電極面積的Z'和X細長諧振器組的ESR

溫度滯后：
由于晶體諧振器經歷了一個熱循環，從室溫（25℃）到高溫（如120℃），再到低溫（如-40℃），再回到室溫（25℃），頻率在25℃時可能會發生變化。由于熱循環引起的頻移是溫度滯后。在僅延伸安裝在兩個寬度側角上的X形細長晶體板中并不明顯;然而，溫度滯后是非常嚴重的，因為晶體板的四個角通過安裝膠固定，如圖8所示。

圖8.（a）兩個角安裝X-細長晶體板

（b）四角安裝X-拉長的晶體板
（c）四角安裝Z'細長晶體板

圖9顯示了兩個諧振器組的溫度滯后，它們都是0.051mm厚和四個角安裝。電極面積均為1.8mm×1.2mm，但SMD晶振尺寸為4.4mm（X）×1.55mm（Z'）（X-拉長）和1.55mm（X）×4.4mm（Z'）（Z'拉長）。它表明Z'拉長晶體帶的頻率穩定性優于經過熱循環的X伸長晶體帶的頻率穩定性。

圖9.Z'和X細長諧振器組的溫度滯后

抗沖擊性：
跌落試驗是評估諧振器抗沖擊能力的一種方法。本研究中下降的條件是自由下落，150cm高度，在混凝土地面上，和5次。在測試之前和之后測量頻率和ESR;這兩種性質的轉變是抗沖擊性的指標。圖10和11是由于跌落測試引起的Z'和X細長諧振器的頻率和ESR偏移。這兩組都是0.116mm厚，四角安裝，但有3.5mm（X）×1.82mm（Z'）（X-細長）和1.82mm（X）×3.5mm（Z'）（Z'-細長的尺寸。這兩個圖表明Z'細長貼片石英晶振的頻率和ESR偏移很小;這意味著Z'細長板具有更好的抗沖擊性，因為耦合的撓曲振動沿X方向傳播，力-頻率系數在X和Z'方向上不相等[5]。

圖10.由于跌落測試導致的Z'和X-長度諧振器組的頻移

圖11.由于跌落測試導致的Z'和X-長度諧振器組的ESR偏移

在本文中，進行了一系列實驗來研究X和Z'細長AT切割石英晶體諧振器的性能，斜切頻率偏移，ESR，頻率-溫度曲線，溫度滯后和抗沖擊性。結果表明，Z'拉長的石英帶在溫度滯后，ESR和抗沖擊性方面具有更好的性能。另一方面，對于斜切頻率偏移和頻率-溫度曲線，X-和Z'-長矩形AT切割石英板分別具有自己的特性。
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