石英晶振共振電阻的溫度依賴性和溫度傳感器
來源：http://www.ytxiaoping.cn 作者：金洛鑫電子 2019年04月19
石英晶振和溫度傳感器都是頻率控制元器件，但是它們的工作原理并不一樣，晶體是利用本身的壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)頻率振蕩，通過后將電能變能機(jī)械能，而溫度傳感器則是在感覺到溫度之后，把溫度轉(zhuǎn)化成信號。相對來說晶振的應(yīng)用范圍比較廣泛，幾乎什么行業(yè)的產(chǎn)品都可以用到它，而溫度傳感器主要用于測量，儀表儀器等。
理想化振動石英的損耗電阻溫度在-60°c至120°c的溫度范圍內(nèi)微乎其微。對于長度拉伸和面積振動，隨著溫度的升高，共振阻力接觸的影響可能會增大。增幅可高達(dá)1%/°c。振蕩石英外殼中所含氣體柱的自振在共振時(shí)可能導(dǎo)致石英在一定溫度下的共振阻力增大。對于厚度剪切翼(1-什么250MHz)，尤其是在“電阻增大”(dip)溫度范圍之外的類型時(shí)，可能會出現(xiàn)更深的頻率。
這種dip是由帶有干擾共振的混合性引起的，它們并不總是可以避免的，但不應(yīng)超過規(guī)范中規(guī)定的限制。此dip通常與跳頻相關(guān)(圖2.31)。隨著石英電流(石英負(fù)載)的增加，這些dip可能會接受比小負(fù)載更大的值。對于小型化石英，這些偶極子已經(jīng)出現(xiàn)在降低應(yīng)力的情況下。但是，由于大多數(shù)振蕩器的規(guī)則特性，當(dāng)石英負(fù)載足夠小時(shí)，它們在實(shí)踐中不起作用。石英晶體諧振器通過石英外殼內(nèi)的蒸汽(例如泄漏外殼產(chǎn)生的水蒸氣)進(jìn)行增溫，也會導(dǎo)致石英加熱時(shí)電阻高于露點(diǎn)溫度。(僅當(dāng)溫度在冷到熱的方向快速變化時(shí)發(fā)生)。
圖2.31浸入溫度范圍
溫度傳感器：
為了測量溫度，可以使用石英晶體頻率的溫度依賴性。如果要以數(shù)字方式處理測量結(jié)果，這總是有意義的。通常，將傳感器石英的強(qiáng)烈依賴于溫度的頻率與混合器中溫度穩(wěn)定的參考石英的頻率進(jìn)行比較?；祛l器的輸出信號可以在簡單的情況下直接用于顯示溫度或進(jìn)一步處理。這種簡單的布置原則上在圖2.32中示出。對于線性度的高要求，曲線的曲率可以通過計(jì)算機(jī)輕松校正?？梢詮牡仁剑?7）推導(dǎo)出與線性度的偏差。系數(shù)a，b，c易于確定。
圖2.32精密測溫、原理開關(guān)圖
在用于溫度測量的傳感器石英上設(shè)置了一些要求：
1、頻率的高溫響應(yīng)
2、溫度范圍盡可能線性，溫度響應(yīng)沒有不連續(xù)性
3、長期穩(wěn)定性高
4、低熱慣性
5、適用于寬溫度范圍
這些條件最好通過厚度剪切搖桿來滿足。對于溫度傳感器，選擇切割角度使得與AT切割不同，溫度系數(shù)變大。25°C溫度系數(shù)對切割角度的依賴關(guān)系如圖2.33所示。
對于溫度傳感器，常見的切割是AC切割，Y+5°切割和LC切割。切割角度為31.3°的AC切口（耦合=0）特別沒有頻率的溫度響應(yīng)的不連續(xù)性，因?yàn)轳詈弦蜃觭56對于干擾表面剪切是零。因此，他在溫度范圍內(nèi)沒有不連續(xù)性。溫度響應(yīng)約為25ppm/°C，但不是完全線性的，即。溫度系數(shù)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)不是很穩(wěn)定。Y+5°切割具有Y切割厚度剪切振蕩器的最大正溫度系數(shù)。等式（17）中的立方分量在該部分中非常小，因此實(shí)現(xiàn)了約95ppm/℃的溫度系數(shù)的有用線性。切割角度的溫度系數(shù)的依賴性最大的事實(shí)，溫度系數(shù)的分散可以保持在窄的范圍內(nèi)。
圖2.33Y形截面的溫度系數(shù)
圖2.34溫度傳感器石英的切割
因此，Y+5°切割是最常用于溫度測量的切割。在Y+70°附近的交叉角處發(fā)現(xiàn)相似的比率，這是TK交叉角依賴性的極值。溫度系數(shù)約為-95ppm/°C。
圖2.35溫度測量晶體，溫度響應(yīng)
LC截面(線性系數(shù))是制造過程中非常復(fù)雜的截面，因?yàn)樗菄@兩個(gè)晶體軸旋轉(zhuǎn)的。它繞z軸旋轉(zhuǎn)約9度，繞x軸旋轉(zhuǎn)約11度。與其他傳感器截面相比，這種方法的線性度提高了10倍。溫度系數(shù)約為35ppm/°c。切割的兩倍旋轉(zhuǎn)會使制作成本很高。但是，今天，以電子方式平衡剩馀特性曲線曲率并不是問題。這使得cl截面失去了意義。
現(xiàn)在許多產(chǎn)品生產(chǎn)廠家會把石英晶體和溫度傳感器結(jié)合一起使用，讓產(chǎn)品接收到更穩(wěn)定的信號源，石英晶振的溫度傳感器的生產(chǎn)時(shí)都要經(jīng)過切割，都會對溫度特性產(chǎn)生依賴性，有許多相同的地方，因此更方便工作師們設(shè)計(jì)和使用。
理想化振動石英的損耗電阻溫度在-60°c至120°c的溫度范圍內(nèi)微乎其微。對于長度拉伸和面積振動，隨著溫度的升高，共振阻力接觸的影響可能會增大。增幅可高達(dá)1%/°c。振蕩石英外殼中所含氣體柱的自振在共振時(shí)可能導(dǎo)致石英在一定溫度下的共振阻力增大。對于厚度剪切翼(1-什么250MHz)，尤其是在“電阻增大”(dip)溫度范圍之外的類型時(shí)，可能會出現(xiàn)更深的頻率。
這種dip是由帶有干擾共振的混合性引起的，它們并不總是可以避免的，但不應(yīng)超過規(guī)范中規(guī)定的限制。此dip通常與跳頻相關(guān)(圖2.31)。隨著石英電流(石英負(fù)載)的增加，這些dip可能會接受比小負(fù)載更大的值。對于小型化石英，這些偶極子已經(jīng)出現(xiàn)在降低應(yīng)力的情況下。但是，由于大多數(shù)振蕩器的規(guī)則特性，當(dāng)石英負(fù)載足夠小時(shí)，它們在實(shí)踐中不起作用。石英晶體諧振器通過石英外殼內(nèi)的蒸汽(例如泄漏外殼產(chǎn)生的水蒸氣)進(jìn)行增溫，也會導(dǎo)致石英加熱時(shí)電阻高于露點(diǎn)溫度。(僅當(dāng)溫度在冷到熱的方向快速變化時(shí)發(fā)生)。
圖2.31浸入溫度范圍
為了測量溫度，可以使用石英晶體頻率的溫度依賴性。如果要以數(shù)字方式處理測量結(jié)果，這總是有意義的。通常，將傳感器石英的強(qiáng)烈依賴于溫度的頻率與混合器中溫度穩(wěn)定的參考石英的頻率進(jìn)行比較?；祛l器的輸出信號可以在簡單的情況下直接用于顯示溫度或進(jìn)一步處理。這種簡單的布置原則上在圖2.32中示出。對于線性度的高要求，曲線的曲率可以通過計(jì)算機(jī)輕松校正?？梢詮牡仁剑?7）推導(dǎo)出與線性度的偏差。系數(shù)a，b，c易于確定。
圖2.32精密測溫、原理開關(guān)圖
1、頻率的高溫響應(yīng)
2、溫度范圍盡可能線性，溫度響應(yīng)沒有不連續(xù)性
3、長期穩(wěn)定性高
4、低熱慣性
5、適用于寬溫度范圍
這些條件最好通過厚度剪切搖桿來滿足。對于溫度傳感器，選擇切割角度使得與AT切割不同，溫度系數(shù)變大。25°C溫度系數(shù)對切割角度的依賴關(guān)系如圖2.33所示。
對于溫度傳感器，常見的切割是AC切割，Y+5°切割和LC切割。切割角度為31.3°的AC切口（耦合=0）特別沒有頻率的溫度響應(yīng)的不連續(xù)性，因?yàn)轳詈弦蜃觭56對于干擾表面剪切是零。因此，他在溫度范圍內(nèi)沒有不連續(xù)性。溫度響應(yīng)約為25ppm/°C，但不是完全線性的，即。溫度系數(shù)在整個(gè)溫度范圍內(nèi)不是很穩(wěn)定。Y+5°切割具有Y切割厚度剪切振蕩器的最大正溫度系數(shù)。等式（17）中的立方分量在該部分中非常小，因此實(shí)現(xiàn)了約95ppm/℃的溫度系數(shù)的有用線性。切割角度的溫度系數(shù)的依賴性最大的事實(shí)，溫度系數(shù)的分散可以保持在窄的范圍內(nèi)。
圖2.33Y形截面的溫度系數(shù)
圖2.34溫度傳感器石英的切割
圖2.35溫度測量晶體，溫度響應(yīng)
現(xiàn)在許多產(chǎn)品生產(chǎn)廠家會把石英晶體和溫度傳感器結(jié)合一起使用，讓產(chǎn)品接收到更穩(wěn)定的信號源，石英晶振的溫度傳感器的生產(chǎn)時(shí)都要經(jīng)過切割，都會對溫度特性產(chǎn)生依賴性，有許多相同的地方，因此更方便工作師們設(shè)計(jì)和使用。
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