陶瓷諧振器與石英晶振的對比
陶瓷諧振器(Ceramic Resonator)是利用壓電陶瓷 (一般為鋯鈦酸鉛,PZT) 的壓電效應產生諧振頻率的電子元件,電路符號與石英晶體諧振器(Quartz Crystal)相同。與石英晶體諧振器(Quartz Crystal)相比,陶瓷諧振器也屬于無源諧振元件,兩者的起振原理也非常相似,但陶瓷元件的頻率精度不如石英諧振器,通常用于消費、工業、汽車領域中對頻率精度要求不高,但使用溫度范圍更廣的應用產品上。
一、諧振原理
陶瓷諧振器的振子為壓電陶瓷材料,施加電壓時陶瓷會膨脹或收縮,受力時陶瓷會產生電壓,這就是壓電效應。陶瓷材料的基本單元是微晶體,每個晶體由帶正電荷或負電荷的原子構成。在自然狀態下,大多數陶瓷帶有的正、負電荷是平衡的,但也有一種介電陶瓷 (稱為鐵電體) 在晶體中帶有不平衡的正、負電荷,會造成偏電荷,也就是發生自發極化。焙燒后,鐵電陶瓷會立即發生自發極化并產生隨機極軸,而正、負電荷整體上是平衡的。
但是,隨著高直流電壓的應用,自發極化產生的極軸在相同的方向上對齊,即使去掉電壓,極軸也不會隨之消失。使自發極化極軸對準的過程被稱為極化過程。如果將極化過程應用于鐵電陶瓷,就會生成壓電陶瓷。當給壓電陶瓷施加外部電壓時,陶瓷內的正、負電荷的中心會相互吸引或排斥,就會造成陶瓷的膨脹或縮小。或者,給壓電陶瓷施加壓力,就會在壓電陶瓷的對面產生正、負電荷;如果對壓電陶瓷施加張力,電荷的極性會相反。
利用這種晶體極化,可以使電能和機械能相互轉化。基于壓電陶瓷的機械諧振頻率隨振動模式的變化而變化的特性,可以制作出各種陶瓷元件,如陶瓷諧振器、陶瓷濾波器、陶瓷陷波器、聲表濾波器、壓電蜂鳴器等。
二、性能特點
與石英晶體諧振器對比,雖然陶瓷諧振器的頻率和溫度穩穩定度欠佳,但尺寸小,可在150度下運作,符合AEC-Q200標準,而且成本只有晶體的一半。
三、陶瓷諧振器與其他諧振組件的比較
1、尺寸小,重量輕。陶瓷諧振器為獨石結構,尺寸只有普通石英晶體諧振器尺寸的一半,而且堅固抗震。
2、成本低,免調整。與CR、LC電路不同,陶瓷諧振器利用的是機械諧振而不是電諧振,基本上不受外部電路或電源電壓波動的影響,可以制作成無需調整的高度穩定的振蕩電路,便于客戶批量生產。
3、內置負載電容。陶瓷諧振器屬于負載電容內置型,諧振電路設計較為簡單。同時,它還能節省包括負載電容在內的基板貼裝面積。
4、輕薄、外形小。采用輕薄的小外形設計,可減少元件數量。無外置電容的尺寸減少了約48%(與晶體3225尺寸相比),有助于實現模塊元件的小型化。
5、高可靠性需求。具有支持CAN通信等高精度通信的電氣特性,為在發動機、電池附近等以及溫度更高的環境中工作,工作溫度最高可達到150度。