《陶瓷諧振器》課件

陶瓷諧振器目錄基本介紹定義、歷史、原理、材料技術(shù)特性結(jié)構(gòu)、制造、電氣特性、應(yīng)用發(fā)展趨勢(shì)陶瓷諧振器的定義核心概念利用壓電陶瓷材料振動(dòng)特性的頻率控制元件工作原理通過(guò)電場(chǎng)激勵(lì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)主要功能提供穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)陶瓷諧振器的發(fā)展歷史1940年代壓電陶瓷材料研究開(kāi)始1960年代首批商用陶瓷諧振器面世1980年代在消費(fèi)電子中廣泛應(yīng)用2000年至今微型化和高性能發(fā)展陶瓷諧振器的基本原理電場(chǎng)激勵(lì)施加電壓產(chǎn)生電場(chǎng)機(jī)械形變壓電材料發(fā)生物理變形機(jī)械振動(dòng)在諧振頻率下持續(xù)震蕩穩(wěn)定頻率輸出特定頻率的電信號(hào)壓電效應(yīng)簡(jiǎn)介正壓電效應(yīng)機(jī)械應(yīng)力→電荷受到壓力時(shí)產(chǎn)生電勢(shì)差逆壓電效應(yīng)電場(chǎng)→機(jī)械變形在電場(chǎng)作用下改變形狀發(fā)現(xiàn)歷史1880年居里兄弟首次發(fā)現(xiàn)最初在石英晶體中觀察到陶瓷諧振器的材料組成主體材料壓電陶瓷（鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛等）電極層導(dǎo)電金屬（銀、金、鉑等）保護(hù)涂層環(huán)氧樹(shù)脂或陶瓷外殼連接引線銅、鎳或合金導(dǎo)線常用陶瓷諧振器材料材料類型頻率范圍溫度穩(wěn)定性主要應(yīng)用鈦酸鋇200kHz-2MHz中等消費(fèi)電子鋯鈦酸鉛1MHz-50MHz較好通信設(shè)備鈮酸鋰10MHz-100MHz優(yōu)良高端設(shè)備復(fù)合材料可定制可定制特殊應(yīng)用鈦酸鋇（BaTiO3）的特性溫度特性居里點(diǎn)約120℃，溫度系數(shù)較高電氣特性介電常數(shù)高，機(jī)電耦合系數(shù)中等晶體結(jié)構(gòu)鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，具有鐵電性應(yīng)用優(yōu)勢(shì)成本低，工藝成熟，適合大規(guī)模生產(chǎn)鋯鈦酸鉛（PZT）的特性高性能超強(qiáng)壓電性能可調(diào)性成分可調(diào)整以獲得不同特性穩(wěn)定性良好的溫度穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度廣泛應(yīng)用適用于多種高精度場(chǎng)合陶瓷諧振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)幾何形狀圓盤形、矩形、梁狀等根據(jù)振動(dòng)模式設(shè)計(jì)尺寸控制直接決定諧振頻率電極布局影響能量轉(zhuǎn)換效率和激勵(lì)模式封裝方式保護(hù)元件并提供電氣連接陶瓷諧振器的制作工藝原料準(zhǔn)備粉末制備、混合和球磨成型工藝壓制、注射或流延成型燒結(jié)處理高溫?zé)Y(jié)形成致密結(jié)構(gòu)電極制作金屬涂覆、焊接引線測(cè)試篩選頻率、品質(zhì)因數(shù)測(cè)試原料制備化學(xué)合成通過(guò)化學(xué)反應(yīng)獲得純凈原料粉碎研磨減小顆粒尺寸到亞微米級(jí)配料混合按比例添加主料、輔料和添加劑干燥處理控制水分含量和顆粒分布成型工藝干壓成型高壓下將粉末壓制成型適合簡(jiǎn)單形狀大批量生產(chǎn)等靜壓成型流體介質(zhì)傳遞壓力獲得均勻密度的坯體流延成型制作薄片型陶瓷高精度多層結(jié)構(gòu)制備注射成型復(fù)雜形狀制備需要后續(xù)脫脂處理燒結(jié)過(guò)程預(yù)熱階段300-500℃，去除有機(jī)物燒結(jié)階段1200-1400℃，形成致密晶粒結(jié)構(gòu)冷卻階段緩慢降溫，防止開(kāi)裂后處理表面拋光，尺寸校準(zhǔn)電極制作材料選擇銀、金、鉑等貴金屬涂覆方法絲網(wǎng)印刷、蒸發(fā)沉積、濺射燒結(jié)固化600-800℃高溫處理引線連接焊接或?qū)щ娔z連接陶瓷諧振器的電氣特性諧振頻率通常在200kHz至50MHz范圍品質(zhì)因數(shù)Q值通常在500-1500之間溫度特性溫度系數(shù)約±30ppm/℃穩(wěn)定性頻率穩(wěn)定性±0.5%左右諧振頻率影響因素幾何尺寸材料密度彈性模量電極質(zhì)量計(jì)算公式fr=K√(E/ρ)K：形狀系數(shù)E：彈性模量ρ：密度調(diào)整方法尺寸精確加工材料成分改變負(fù)載電容調(diào)整品質(zhì)因數(shù)Q值定義儲(chǔ)存能量與每周期損耗能量的比值重要性決定諧振峰的尖銳度和頻率選擇性提高方法優(yōu)化材料純度和晶體結(jié)構(gòu)測(cè)量方式頻率響應(yīng)曲線法或相位法溫度系數(shù)溫度(℃)頻率偏移(ppm)陶瓷諧振器的頻率隨溫度變化曲線，參考溫度25℃，溫度系數(shù)約為-30ppm/℃等效電路模型巴特沃斯-范戴克模型最常用的壓電元件等效電路模型串聯(lián)諧振Ls、Cs、Rs形成的低阻抗點(diǎn)并聯(lián)諧振考慮并聯(lián)電容Cp后的高阻抗點(diǎn)模型參數(shù)Ls：等效電感，Cs：等效電容，Rs：等效電阻，Cp：靜態(tài)電容陶瓷諧振器的應(yīng)用領(lǐng)域通信設(shè)備提供基本時(shí)鐘頻率和濾波功能消費(fèi)電子遙控器、玩具、家電定時(shí)控制2工業(yè)控制自動(dòng)化設(shè)備時(shí)序控制醫(yī)療設(shè)備監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和便攜式設(shè)備汽車電子車載控制系統(tǒng)和傳感網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備中的應(yīng)用移動(dòng)通信手機(jī)內(nèi)部定時(shí)和同步電路無(wú)線模塊藍(lán)牙、WiFi設(shè)備的頻率控制遙控設(shè)備無(wú)線遙控器的發(fā)射和接收電路消費(fèi)電子產(chǎn)品中的應(yīng)用從數(shù)碼相機(jī)的定時(shí)電路到游戲控制器，陶瓷諧振器在各類消費(fèi)電子中提供穩(wěn)定可靠的時(shí)鐘信號(hào)工業(yè)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用定時(shí)控制生產(chǎn)線節(jié)拍和流程控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)變頻器中的時(shí)鐘信號(hào)源傳感網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的同步控制器PLC等控制設(shè)備的時(shí)鐘源醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用監(jiān)測(cè)設(shè)備心電圖機(jī)等醫(yī)療監(jiān)測(cè)儀器便攜設(shè)備血糖儀、血壓計(jì)等家用醫(yī)療設(shè)備植入設(shè)備低功耗醫(yī)療植入物計(jì)時(shí)系統(tǒng)診斷系統(tǒng)超聲診斷設(shè)備的諧振電路陶瓷諧振器vs石英晶體諧振器特性陶瓷諧振器石英晶體諧振器頻率精度±0.5%±0.001%溫度穩(wěn)定性±30ppm/℃±0.5~50ppm/℃價(jià)格低高體積較小較大啟動(dòng)時(shí)間快慢抗沖擊性好差陶瓷諧振器的優(yōu)勢(shì)成本優(yōu)勢(shì)價(jià)格僅為同頻率石英晶體的1/3體積小巧適合空間受限的應(yīng)用場(chǎng)景快速啟動(dòng)啟動(dòng)時(shí)間短，快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)抗沖擊性優(yōu)良的機(jī)械強(qiáng)度，適合惡劣環(huán)境陶瓷諧振器的局限性1精度有限頻率精度低于石英晶體溫度敏感溫度系數(shù)較大老化明顯長(zhǎng)期穩(wěn)定性較差頻率范圍窄主要應(yīng)用于低頻和中頻陶瓷諧振器的選型考慮因素頻率要求需要的基礎(chǔ)工作頻率頻率容差和穩(wěn)定性要求工作環(huán)境溫度范圍振動(dòng)和沖擊條件電氣參數(shù)負(fù)載電容驅(qū)動(dòng)電平尺寸限制安裝空間引腳排列頻率范圍選擇不同應(yīng)用場(chǎng)景下陶瓷諧振器的常用頻率范圍選擇溫度穩(wěn)定性要求商業(yè)級(jí)工作溫度:0℃~70℃頻率偏移:±0.5%適用場(chǎng)景:家用電器、玩具工業(yè)級(jí)工作溫度:-40℃~85℃頻率偏移:±0.3%適用場(chǎng)景:工控設(shè)備、通信設(shè)備汽車級(jí)工作溫度:-40℃~125℃頻率偏移:±0.2%適用場(chǎng)景:車載電子系統(tǒng)負(fù)載電容的影響負(fù)載電容定義與諧振器并聯(lián)的外部電容頻率影響電容增大導(dǎo)致頻率降低穩(wěn)定性影響適當(dāng)?shù)呢?fù)載電容提高溫度穩(wěn)定性設(shè)計(jì)建議按數(shù)據(jù)手冊(cè)推薦值設(shè)計(jì)陶瓷諧振器的測(cè)試方法頻率測(cè)試測(cè)量諧振頻率和頻率偏差Q值測(cè)試評(píng)估振蕩質(zhì)量和尖銳度溫度特性測(cè)量不同溫度下頻率變化老化測(cè)試長(zhǎng)期穩(wěn)定性評(píng)估可靠性測(cè)試沖擊、振動(dòng)和環(huán)境適應(yīng)性5頻率響應(yīng)測(cè)試網(wǎng)絡(luò)分析儀法測(cè)量諧振器的阻抗-頻率特性振蕩器法將諧振器置于測(cè)試振蕩電路中測(cè)量π網(wǎng)絡(luò)法測(cè)量諧振頻率與反諧振頻率參數(shù)提取計(jì)算等效電路模型參數(shù)溫度特性測(cè)試環(huán)境準(zhǔn)備溫控箱設(shè)置測(cè)試溫度點(diǎn)溫度循環(huán)按規(guī)定溫度范圍循環(huán)變化數(shù)據(jù)采集記錄各溫度點(diǎn)下的頻率值數(shù)據(jù)分析計(jì)算溫度系數(shù)和繪制曲線老化測(cè)試測(cè)試準(zhǔn)備將諧振器置于恒溫環(huán)境初始測(cè)量記錄初始頻率基準(zhǔn)值長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)持續(xù)1000小時(shí)以上數(shù)據(jù)記錄定期測(cè)量頻率變化量計(jì)算老化率通常以ppm/年為單位可靠性測(cè)試高溫測(cè)試85℃~125℃環(huán)境下長(zhǎng)期工作濕熱測(cè)試85℃/85%RH濕熱環(huán)境測(cè)試振動(dòng)沖擊模擬運(yùn)輸和使用中的機(jī)械應(yīng)力溫度循環(huán)溫度快速變化測(cè)試熱應(yīng)力抵抗力陶瓷諧振器在振蕩電路中的應(yīng)用反饋網(wǎng)絡(luò)提供所需相位和幅度條件放大器補(bǔ)償系統(tǒng)損耗維持振蕩負(fù)載電容與諧振器匹配的電容輸出整形將正弦波轉(zhuǎn)換為方波時(shí)鐘信號(hào)基本振蕩電路結(jié)構(gòu)皮爾斯振蕩器最常用的諧振器振蕩電路兩個(gè)外接電容形成反饋考畢茲振蕩器共發(fā)射極配置適合高頻應(yīng)用克拉普振蕩器使用LC并聯(lián)諧振與陶瓷諧振器組合使用反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)相位條件環(huán)路相移為0°或360°增益條件環(huán)路增益大于或等于1阻抗匹配優(yōu)化能量傳輸效率穩(wěn)定性考慮防止雜散振蕩和噪聲干擾振蕩起動(dòng)條件1初始噪聲系統(tǒng)中的熱噪聲或開(kāi)關(guān)瞬態(tài)提供初始信號(hào)2正反饋滿足相位條件的信號(hào)得到增強(qiáng)3振幅增長(zhǎng)信號(hào)幅度逐漸增大4穩(wěn)定工作達(dá)到非線性平衡點(diǎn)后穩(wěn)定振蕩頻率穩(wěn)定性優(yōu)化電源濾波減少電源噪聲影響使用去耦電容和穩(wěn)壓器溫度補(bǔ)償添加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)恒溫環(huán)境設(shè)計(jì)電路布局減少雜散電容縮短連接線路驅(qū)動(dòng)電平控制適當(dāng)驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度防止過(guò)驅(qū)動(dòng)損傷陶瓷諧振器在濾波器中的應(yīng)用陶瓷濾波器利用諧振器的窄帶特性，廣泛應(yīng)用于無(wú)線通信中的信號(hào)篩選、中頻濾波和噪聲抑制陶瓷濾波器的基本結(jié)構(gòu)梯形結(jié)構(gòu)多個(gè)諧振單元串聯(lián)或并聯(lián)連接單片式在單一陶瓷基體上形成多個(gè)耦合諧振腔耦合式利用諧振單元間的電磁耦合形成特定頻響多層式使用多層陶瓷技術(shù)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜濾波特性帶通濾波器設(shè)計(jì)1規(guī)格確定中心頻率、帶寬、阻帶衰減2諧振單元選擇基于頻率和Q值要求耦合設(shè)計(jì)確定諧振單元間的耦合系數(shù)輸入輸出匹配設(shè)計(jì)阻抗轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)阻帶特性優(yōu)化頻率(MHz)基本設(shè)計(jì)(dB)優(yōu)化設(shè)計(jì)(dB)通過(guò)添加阻零點(diǎn)和優(yōu)化諧振單元排列，顯著改善阻帶衰減性能陶瓷諧振器在傳感器中的應(yīng)用1高靈敏度微小物理變化引起明顯頻率偏移頻率輸出便于數(shù)字處理和遠(yuǎn)距離傳輸?shù)凸倪m合電池供電場(chǎng)合4寬溫范圍適應(yīng)各種工作環(huán)境壓力傳感器工作原理壓力引起諧振器形變形變導(dǎo)致頻率變化頻率信號(hào)處理轉(zhuǎn)換為壓力值結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)敏感膜片結(jié)構(gòu)壓電陶瓷薄片設(shè)計(jì)彈性支撐機(jī)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域工業(yè)過(guò)程控制汽車輪胎壓力監(jiān)測(cè)醫(yī)療血壓測(cè)量加速度傳感器質(zhì)量-彈簧系統(tǒng)慣性質(zhì)量連接到諧振器受力變形加速度產(chǎn)生的力使諧振器變形頻率檢測(cè)監(jiān)測(cè)頻率變化計(jì)算加速度多軸檢測(cè)三軸排列可測(cè)量空間運(yùn)動(dòng)溫度傳感器-55℃低溫極限軍工級(jí)應(yīng)用下限±0.1℃精度高精度溫度測(cè)量150℃高溫極限商業(yè)應(yīng)用上限<1s響應(yīng)時(shí)間快速溫度變化檢測(cè)陶瓷諧振器的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)微型化尺寸進(jìn)一步縮小，適應(yīng)可穿戴設(shè)備性能提升頻率穩(wěn)定性和Q值提高集成化與其他功能單元一體化封裝高頻化擴(kuò)展到更高頻率范圍4微型化和集成化MEMS技術(shù)微機(jī)電系統(tǒng)加工工藝多功能集成諧振器與振蕩器電路一體化SiP封裝系統(tǒng)級(jí)封裝技術(shù)高頻應(yīng)用拓展100MHz中頻應(yīng)用現(xiàn)有技術(shù)上限500MHz近期目標(biāo)材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化1GHz長(zhǎng)期目標(biāo)新材料與新工藝突破新材料研究無(wú)鉛壓電材料環(huán)保需求鈮酸鉀鈉等替代PZT單晶材料高性能需求PMN-PT、PIN-PMN-PT等復(fù)合材料定制特性陶瓷-聚合物復(fù)合體系薄膜材料集成需求AlN、ZnO等薄膜材料多功能陶瓷諧振器可調(diào)諧振器電壓控制頻率能量收集振動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能多參數(shù)感知同時(shí)檢測(cè)多種物理量無(wú)線通信集成射頻功能陶瓷諧振器行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)類型標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)內(nèi)容范圍國(guó)際電工委員會(huì)IEC60122石英晶體器件規(guī)范軍工標(biāo)準(zhǔn)MIL-PRF-20軍用壓電器件電子工業(yè)協(xié)會(huì)EIA-512陶瓷諧振器測(cè)試規(guī)范中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T