晶振的起源史

HCI杭晶电子晶振

一、前言
    晶体振荡器作为核心频率控制元件，广泛应用于工业设备，安防监控设备，医疗设备，汽车电子设备，智能家居设备等领域，从宏观视角审视，全球信息化基础设施的构建与晶体振荡器的发展存在本质关联。本文将系统解析晶体振荡器从压电效应发现至纳米级封装的技术发展脉络，揭示其如何通过四次产业革命推动人类科技进程。

二、晶振的发展历史

1.晶振的技术启蒙期

1880年，居里兄弟Jacques和Pierre Curie，研究石英水晶片时，发现在晶片上施加机械应力时，就会产生电荷的偏移，提出压电效应这个概念。

压电效应原理：如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差（称之为正压电效应），反之施加电压，则产生机械应力（称为逆压电效应）。如果压力是一种高频震动，则产生的就是高频电流。而高频电信号加在压电陶瓷上时，则产生高频声信号（机械震动），这就是我们平常所说的超声波信号。

1918年，朗之万研究了使用从石英晶体切割的板来开发用于探测潜艇的早期声纳系统。

声纳系统原理：就是将多种声呐功能有机结合在一起，对信息进行综合处理和集中控制，以满足多种战术使用要求的系统。主要功能包括噪声测向、回声测距、声呐脉冲侦测、目标识别和鱼雷报警等。在这项工作中，朗之万使用X切割石英板来生成并检测水中的声波。

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1921年，卫斯理大学的凯蒂WG Cady教授为石英晶体振荡器申请了专利。

对于这项专利，他使用石英晶体谐振器来控制振荡器的频率，他还描述了使用石英条和板作为频率标准和滤波器。因此，人们普遍认为，凯蒂是第一个使用石英晶体来控制振荡器电路频率的人。

1923年，哈佛大学教授 GW Pierce 开发了一种晶体振荡器电路，该电路将晶体放置在阀门/真空管的栅极和阳极之间。这是皮尔斯振荡器配置的前身。

1925年，西屋电气为他们的广播电台 KDKA 的主振荡器安装了一个晶体振荡器。

范戴克开发了石英晶体谐振器的等效电路。石英谐振器的等效电路，有两个谐振频率，一个是串联谐振频率fS，它是Lg、Cg、Rg 支路谐振时的频率。即：另一个是并联谐振频率fp，它是等效电路的谐振频率。即：由于Cg<C0，所以两个频率非常接近。从石英谐振器的等效电路 可以求出它的电抗频率特性。在fS 与fp 之间，呈电感性，在此区域以外，呈电容性。

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1926年，Y切割晶体首先被发现和使用。直到此时，X切割石英晶体一直是唯一使用的形式。发现虽然X切割晶体的温度系数约为-20ppm/\uC2C，而Y切割晶体的温度系数约为+100ppm/\uC2C，但它表明不同晶片的切割方式可能呈现不同的温度系数。

1927年，贝尔实验室的沃伦·马里森开发的第一个石英晶体振荡器标准。

1928年，贝尔电话实验室的沃伦·马里森(Warren Marrison)开发了第一个石英晶体时钟。Quartz时钟取代了精密摆钟 ，成为 世界上最精确的计时器（原子钟）。

其原理是利用原子吸收或释放能量时发出的电磁波来计时的。原子钟的计时装置，精度可以达到每2000万年才误差1秒，目前世界上最准确的计时工具就是原子钟。

1934年，石英晶体谐振器的AT和BT切割首次出现。这些切口是由美国的拉克、威拉德和费尔、日本的古贺以及德国的贝克曼和斯特劳贝尔独立发现的。

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2.晶振的研发期：晶振实现量产

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1950年，开发出原子钟 ，石英时钟在30年内的精度最高为1秒(30ms / yr)贝尔实验室开发了一种用于以商业规模生长石英晶体的水热工艺。

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1956年，合成生长的石英变得广泛可用。

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3.晶振的发展期：批量化规模化发展由军用转民用

1968年，北美航空的Juergen Staudte发明了制造石英晶体振荡器的光刻工艺。这使它们能够做得足够小，可以用于手表等便携式产品。

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1970年，电子产品中几乎所有的晶体都是合成的。

1976年，第一个SC切割晶体可用。它们主要用于恒温晶体振荡器，因为它们在这些恒温晶体振荡器工作的温度下具有最佳温度系数。

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4.晶振迅速发展期：电子产品多样化应用多元化

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1990到至今在，30多年来，石英晶振发展方向从DIP到SMD小尺寸，封装由传统的金属外壳向覆盖塑料、金属和陶瓷封装的转变；精度、频率也越来越高，工艺要求越发精细化；使用范围也从单一应用领域到如今5G、物联网、汽车电子、智慧医疗、智能家电等多元化场景。

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三、总结：

    1880\uEF1956年的70多年是石英晶振的起步期，这个时期内创新人才辈出，深远影响的发明层出不穷。石英晶振经过多年的发展才发展到今天的地步，科技进步不可能一撮而就，它是一个逐步认识、发现和成熟的过程。