為什麼32.768kHz的晶振封裝這麼另類?

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當電路投板之後，準備採購元器件的時候，傻眼了。根本就買不著FC135封裝的25MHz的晶振。於是調試電路的老同志仰天長嘯。

為什麼有些封裝只有32.768kHz的頻率的晶體才有呢？

首先，我們看一張長圖來對比：

我們可以看到32.768kHz的晶體的封裝與其他頻率的封裝幾乎沒有交集。

那麼，有經驗的朋友有沒有發現，兩列晶振的規律呢？

從身材比例來說，右邊的32.768的封裝有點像姚明，瘦高型；左邊普通晶體的身材像曾志偉，矮胖型。

那麼為什麼會有這樣的現象呢？是32.768kHz的晶體有什麼特殊之處？

1、晶振的基本原理

振蕩器是一種能量轉換器，石英諧振器是利用石英晶體諧振器決定工作頻率，與LC諧振迴路相比，它具有很高的標準性和極高的品質因數，，具有較高的頻率穩定度，採用高精度和穩頻措施後，石英晶體振蕩器可以達到10-4~10-11穩定度。

基本性能主要是起振蕩作用，可利用其對某頻率具有的響應作用，用來濾波、選頻網絡等，石英諧振器相當於RLC振蕩電路。

石英晶體俗稱水晶，是一種化學成分為二氧化矽（SiO2）的六角錐形結晶體，比較堅硬。它有三個相互垂直的軸，且各向異性：縱向Z軸稱為光軸，經過六稜柱稜線並垂直於Z軸的X軸稱為電軸，與X軸和Z軸同時垂直的Y軸（垂直於稜面）稱為機械軸。

石英晶體之所以可以作為諧振器，是由於它具有正（機械能→電能）、反（電能→機械能）壓電效應。

沿石英晶片的電軸或機械軸施加壓力，則在晶片的電軸兩面三刀個表面產生正、負電荷，呈現出電壓，其大小與所加力產生的形變成正比；若施加張力，則產生反向電壓，這種現象稱為正電效應。

當沿石英晶片的電軸方向加電場，則晶片在電軸和機械軸方向將延伸或壓縮，發生形變，這種現象稱為反壓電效應。因此，在晶體兩面三刀端加上交流電壓時，晶片會隨電壓的變化產生機械振動，機械振動又會在晶片內表面產生交變電荷。由於晶體是有彈性的固體，對於某一振動方式，有一個固有的機械諧振頻率。當外加交流電壓等於晶片的固有機械諧振頻率時，晶片的機械振動幅度最大，流過晶片的電流最大，產生了共振現象。石英晶片的共振具有多諧性，即除可以基頻共振外，還可以諧頻共振，通常把利用晶片的基頻共振的諧振器，利用晶片諧頻共振的諧振器稱為泛音諧振器，一般能利用的是3、5、7之類的奇次泛音。晶片的振動頻率與厚度成反比，工作頻率越高，要求晶片越薄（尺寸越大，頻率越低），，這樣的晶片其機械強度就越差，加工越困難，而且容易振碎，因此在工作頻率較高時常採用泛音晶體。一般地，在工作頻率小於20MHZ時採用基頻晶體，在工作頻率大於20MHZ時採用泛音晶體。

石英晶體振蕩器是利用石英晶體（二氧化矽的結晶體）的壓電效應製成的一種諧振器件，它的基本構成大致是：從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片（簡稱為晶片，它可以是正方形、矩形或圓形等），在它的兩個對應面上塗敷銀層作為電極，在每個電極上各焊一根引線接到管腳上，再加上封裝外殼就構成了石英晶體諧振器，簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產品一般用金屬外殼封裝，也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。

晶振的主要參數有標稱頻率，負載電容、頻率精度、頻率穩定度等。不同的晶振標稱頻率不同，標稱頻率大都標明在晶振外殼上。

如常用普通晶振標稱頻率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz等，對於特殊要求的晶振頻率可達到1000 MHz以上，也有的沒有標稱頻率，如CRB、ZTB、Ja等系列。負載電容是指晶振的兩條引線連接IC塊內部及外部所有有效電容之和，可看作晶振片在電路中串接電容。負載頻率不同決定振蕩器的振蕩頻率不同。

標稱頻率相同的晶振，負載電容不一定相同。因為石英晶體振蕩器有兩個諧振頻率，一個是串聯揩振晶振的低負載電容晶振：另一個為並聯揩振晶振的高負載電容晶振。所以，標稱頻率相同的晶振互換時還必須要求負載電容一至，不能冒然互換，否則會造成電器工作不正常。頻率精度和頻率穩定度：由於普通晶振的性能基本都能達到一般電器的要求，對於高檔設備還需要有一定的頻率精度和頻率穩定度。頻率精度從10^(-4)量級到10^(-10)量級不等。穩定度從±1到±100ppm不等。這要根據具體的設備需要而選擇合適的晶振，如通信網絡，無線數據傳輸等系統就需要更高要求的石英晶體振蕩器。因此，晶振的參數決定了晶振的品質和性能。在實際應用中要根據具體要求選擇適當的晶振，因不同性能的晶振其價格不同，要求越高價格也越貴，一般選擇只要滿足要求即可。

      晶振不振蕩時，可以看成是一平板電容器C0，他和晶體的幾何尺寸和電極面積有關，值在幾PF到幾十PF之間。晶振的機械振動的慣性使用電感L來等效，一般為10－3－102H之間，晶片的彈性以電容C1來等效，L、C的具體數值與切割方式，晶片和電極的尺寸，形狀等有關。

標稱頻率（FL），負載電容（CL）、頻率精度、頻率穩定度等

晶體的品質、切割取向、晶體振子的結構及電路形式等，共同決定振蕩器的性能

Fs：晶體本身固有的頻率，和晶體的切割方式、晶體厚度、晶體電極的等效厚度

F＝2560/t(BT)      F=1670/t(AT)

2、音叉結構

簡單地說，晶振是晶體諧振器和晶體振蕩器的統稱，諧振器有分陶瓷諧振器和石英諧振器,石英諧振器可以分插件晶振和貼片晶振，而插件晶振也通常被稱之為音叉晶體和晶振,因插件表晶石英晶片外型類似音叉的形狀，所以叫音叉晶振，音叉的頻率都是以千赫為單位。插件晶振中較為普遍存在的體積有3*8,2*6,應用最多的晶振頻率為32.768KHZ。2011年全球音叉類晶振產量超過100億隻，產值約15億美元。同年，中國音叉晶振產量超過40億隻，產量約佔全球40%。即使多高端的電子產品也始終離不開這個連2毛錢都不到的音叉晶振.iPhone 也不例外.

      和蘋果公司合作,是多少零器件廠家競爭的目標.手機中的零器件,晶振和聲表面濾波器,32.768K表晶是不可或缺的部分.iPhone 5中有5款石英晶振,其中就有兩款音叉晶振.通常我們認為32.768K晶振只能應用到一些低端電子產品,實際上這是一種錯誤的說法,絕大多數涉及數據處理的電子產品都需要晶振元件為其提供時鐘頻率，否則便無法啟動或者有效工作由此可見晶振尤其是音叉晶振是電子產品中十分重要的元件。

        音叉晶振應用領域包括鐘錶及表芯、手機、平板電腦、微型計算機、計算器、家電自動控制和工業自動控制等。目前，中國音叉晶振下遊應用市場呈現快速增長的勢頭，帶動音叉晶振需求增長。2011年，中國石英鐘錶機芯產量19億隻，需要市場供應19億隻音叉表晶，是音叉晶體的主要應用領域之一;中國手機產量11.3億部，至少增加17億顆音叉晶振需求，對音叉晶振行業帶動較大;消費電子和微型計算機產業也是音叉晶振的主要應用市場。相對於陶瓷晶振來說應用到手機方面極為少數，只有部分普通電話機才會用的上陶瓷晶振系列，2011年中國消費電子(不包括手機)產量達到16.6億套(臺)，微型計算機產量為3.2億臺，這兩個領域對音叉晶振的需求約20億隻。

        隨著技術的進步以及市場應用的變化，音叉晶振呈現先小型化、高精度、低功耗的發展趨勢,以愛普生晶振C-001RX，C-002RX，C-004，C-005，精工晶振VT-200-F，VT-150-F，VT-120-F,西鐵城晶振CFS206，CFS145，CFS308,KDS晶振DT-26，DT-38,日本四大石英晶振知名廠商為首,音叉晶振在任何有時間顯示的地方都會有存在,以愛普生晶振,西鐵城晶振.精工晶振,KDS晶振每年銷量領先,四大日產知名品牌是眾多消費者的選擇. 而上海唐輝電子是日本大真空株式會社在中國的指定代理商，唐輝電子在PPTC自恢復保險絲、PTC熱敏電阻、晶體諧振器、振蕩器系列、高品質電容、電感和液晶屏產品、IC類等領域有很強的競爭力。TH02157153998產品廣泛應用在通信、電腦、消費類電子及網絡產品、儀器儀表、工控系統、安防產品、電源供應器等產品上積極面對市場及客戶的多方位要求，堅持以最好的品牌和最具競爭力的價格銷售電子零件，為客戶提供多元化的服務，務求充分滿足客戶的要求致力於成為中國乃至世界最佳元器件供應商之一。
       首先，音叉晶振向小型化、薄片化和片式化發展的趨勢越來越明顯。近幾年，晶振下遊應用終端出現向小型化、輕薄化的發展趨勢。作為電子產品的重要元件，石英晶振也必須向小型化、薄片化和片式化發展。例如，iPhone 5厚度僅為7.6毫米，其使用的兩顆音叉晶振是高度小型化、薄片化和片式化的高品質產品。從過去的20年中可以看出，晶振產品體積從約150立方毫米縮小到約0.75立方毫米，急劇下降到最初的1/200，小型化在不斷進展。而現在越來越高端的數碼產品都採用了有源晶振，有源音叉石英晶體振蕩器等產品。
       其次，音叉晶振向更高精度與更高穩定度方向發展，從而演變成為有源晶振產品系列，低功耗也成為音叉晶振重要發展趨勢。電子產品如移動終端小型化、薄片化的同時，功能也逐漸增多，導致耗電量急劇增加。然而，自1992年索尼發布鋰離子電池至今，電池領域還沒有出現全新顛覆式的技術突破。因此，減少硬體能耗成為延長電子設備續航時間的現實選擇。作為電子產品的重要元件，音叉晶振也需要向低功耗方向發展。石英晶振逐漸小型化、薄片化和片式化，為其提高精度和穩定度提出更大挑戰。在看重小型化,薄片化的基礎上,人們更加看重的是焊接方便簡單和節省更多的時間.因此,貼片晶振在壓電晶體世界中也成為搶手的一部分,只是,在選擇貼片晶振代替音叉晶振的時候,我們應當考慮其價格.         

3、不通切片方式的頻率範圍不通。

晶片切割:

晶振中最重要的組成部分為水晶振子,它是由水晶晶體按一定的法則切割而成的,又稱晶片.

常用晶片的形狀有三種:圓形,方形,SMT專用(方形,但比較小)

晶片的切割可分為AT-CUT,BT-CUT, CT-CUT, DT-CUT, FT-CUT, XT-CUT, YT-CUT,如圖7所示.它是以光軸(Z軸)為參考而命名,每種切法對應一個角度.採用何種切法應根據實際情況而定,如對溫度特性要求較好則應採用AT-CUT,如果對晶振要求的頻率較高時則採用BT-CUT.晶片的切割方式、幾何形狀、尺寸等決定了晶振的頻率.

切片方式	頻率範圍	模式	角度
AC			31°
AK		thickness shear
AT	0.5–300 MHz	thickness shear (c-mode, slow quasi-shear)	35°15', 0° (<25 MHz) 35°18', 0°(>10 MHz)
BC			−60°
BT	0.5–200 MHz	thickness shear (b-mode, fast quasi-shear)	−49°8', 0°
CT	300–900 kHz	face shear	38°, 0°
DT	75–800 kHz	face shear	−52°, 0°
E, 5°X	50–250 kHz	longitudal
ET			66°30'
FC		thickness shear
FT			−57°
GT	0.1–3 MHz	width-extensional	51°7'
H	8–130 kHz	length-width flexure
IT		thickness shear
J	1–12 kHz	length-thickness flexure
LC		thickness shear	11.17°/9.39°
MT	40–200 kHz	longitudal
NLSC
NT	8–130 kHz	length-width flexure (bending)
RT
SBTC
SC	0.5–200 MHz	thickness shear	35°15', 21°54'
SL		face-shear	−57°, 0°
TS
X
XY,tuning fork	3–85 kHz	length-width flexure
X 30°
Y

4、音叉結構與其他晶振的尺寸對比

這是本人實際拆開32.768kHz晶體，拍照，給大家看一下，音叉結構。

我們可以看到其與一般晶振的內部結構對比

同時，我們還可以注意一下音叉結構能夠實現的頻率範圍：3–85 kHz；

所以我們的MCU、CPU等高速晶片用的晶體的頻率都在1MHz以上，這也就是為什麼主晶體的封裝與32.768kHz的封裝一般都不一樣的原因了。

音叉結構已經廣泛應用，而如果內部是音叉結構，其外殼往往也就是姚明的形狀，瘦長型。而高頻的晶體的切割方式，不可能是音叉結構。

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