2.3晶振作为测量元件时的重要性能参数

石英晶振是现在电子产品中的最基本的一款电子元器件,广泛的使用在各行业领域当中，给现代以及未来的科技做出了巨大的贡献，而晶振作为频率元器件，分为多种的频率和参数，那么晶振做为测量元件时的重要性能参数是怎样的呢？

石英晶振本身具有很多性能参数,除了上面所提及的串联谐振频率、并联谐振频率外,还有制造公差、拐点温度等,已经有很多文献对此作了论述但对于测量来说,选用石英晶体的重要原因是因为它的高频稳定性和极小的振幅。所以本文只对晶体的品质因数、频率一电流特性、频率一温度特性进行了论述。

晶体的品质因数Q是晶体的最重要参数。在一定程度上,当其他条件相同时,Q值越高石英晶体振荡器的频率稳定度越高,晶体的品质因数Q是由晶体的动态参数决定的,即：

其中ω为测试系数。

  晶振的品质因数通常不作规定,对于标准部件,Q值通常在20000-200000之间,精密晶体可高达5×10°,这比传统的微悬臂的Q值要高100-1000倍。

  石英晶体谐振器的频率一电流特性,就是激励电平和谐振频率的关系,它是由石英晶振的物理特性决定的。激励电平通常以晶振的耗散的功率、流过晶振的电流以及晶振两端的电压来量度,晶振电流的变化使其串联谐振频率发生交化。石英晶振的谐振频率相对变化与晶振电流的关系,可以用下面的近似关系表示：

其中D是晶振的电流常数

  从上述关系式可以看出,当激励电平增大时,产生了以下影响:

(1)频率产生了漂移,长期稳定性变坏。晶振的弹性常数发生了变化,因此引起了频率的漂移,随着晶振的激励电流增高,晶振的频率稳定性显著下降。

(2)晶振温度增加。当晶振的激励电平过高时,使得晶振被加热到热平衡的温度也引起了频率变化。

(3)产生了寄生振荡。

(4)等效电阻加大。内部分子运动加剧,使得等效电阻加大,Q值下降。

  在实际测量中,当激励电流过大时,晶振振荡的幅值过大,导致测量的精度下降,同时不易控制样品表面与针尖之间的距离,所以一般不能采用较高的激励电流。但是激励电平也不能过小,否则由于噪声电平的限制,使瞬态稳定性变坏,这样获得的图像质量就比较差。

  晶振的另外一个值得注意的参数是晶振的频率一温度特性,所谓晶振的频率一温度特性就是石英晶振的谐振器的频率随温度变化而变化的特性。晶振的工作温度变化时,晶格变形,从而使得其串联谐振电路发生变化。石英谐振器在温度较窄的范围中,具有较小的温度系数,这就是说频率受温度的变化的影响比较小。但随着温度变得较低(<50°C)和变得较大时(>80°C)时,石英谐振器的频率随着温度的变化有较大的变化。在国外的文献中已经有报道将晶振放在真空、低温、强磁场的环境下进行测量,这时晶振的频率将与常温时有明显的不同,而且切型不同,频率的变化方向也不同,所以在实验室应该对测试温度和环境加以控制。同时由于测试环境的变化,如何保持仪器的稳定性, 也是一个值得注意的问题。

2.4本章小结

  石英晶振可以作为一体化的执行器和传感器,品质因素高,具有高频稳定性和极小的振幅,故适合在扫描探针显微镜中作为微力传感器。本章具体分析了其作为测量元件的物理基础(压电效应),影响其测量的几个方面——品质因数、频率-电流特性和频率-温度特性,建立数学模型来对晶振与样品表面的作用机理进行探讨。