一、前言
晶體振蕩器作為核心頻率控制元件，廣泛應用于工業(yè)設備，安防監(jiān)控設備，醫(yī)療設備，汽車電子設備，智能家居設備等領域，從宏觀視角審視，全球信息化基礎設施的構建與晶體振蕩器的發(fā)展存在本質(zhì)關聯(lián)。本文將系統(tǒng)解析晶體振蕩器從壓電效應發(fā)現(xiàn)至納米級封裝的技術發(fā)展脈絡，揭示其如何通過四次產(chǎn)業(yè)革命推動人類科技進程。

二、晶振的發(fā)展歷史

1.晶振的技術啟蒙期

1880年，居里兄弟Jacques和Pierre Curie，研究石英水晶片時，發(fā)現(xiàn)在晶片上施加機械應力時，就會產(chǎn)生電荷的偏移，提出壓電效應這個概念。

壓電效應原理：如果對壓電材料施加壓力，它便會產(chǎn)生電位差（稱之為正壓電效應），反之施加電壓，則產(chǎn)生機械應力（稱為逆壓電效應）。如果壓力是一種高頻震動，則產(chǎn)生的就是高頻電流。而高頻電信號加在壓電陶瓷上時，則產(chǎn)生高頻聲信號（機械震動），這就是我們平常所說的超聲波信號。

1918年，朗之萬研究了使用從石英晶體切割的板來開發(fā)用于探測潛艇的早期聲納系統(tǒng)。

聲納系統(tǒng)原理：就是將多種聲吶功能有機結合在一起，對信息進行綜合處理和集中控制，以滿足多種戰(zhàn)術使用要求的系統(tǒng)。主要功能包括噪聲測向、回聲測距、聲吶脈沖偵測、目標識別和魚雷報警等。在這項工作中，朗之萬使用X切割石英板來生成并檢測水中的聲波。

1921年，衛(wèi)斯理大學的凱蒂WG Cady教授為石英晶體振蕩器申請了專利。

對于這項專利，他使用石英晶體諧振器來控制振蕩器的頻率，他還描述了使用石英條和板作為頻率標準和濾波器。因此，人們普遍認為，凱蒂是第一個使用石英晶體來控制振蕩器電路頻率的人。

1923年，哈佛大學教授GW Pierce開發(fā)了一種晶體振蕩器電路，該電路將晶體放置在閥門/真空管的柵極和陽極之間。這是皮爾斯振蕩器配置的前身。

1925年，西屋電氣為他們的廣播電臺KDKA的主振蕩器安裝了一個晶體振蕩器。

范戴克開發(fā)了石英晶體諧振器的等效電路。石英諧振器的等效電路，有兩個諧振頻率，一個是串聯(lián)諧振頻率fS，它是Lg、Cg、Rg支路諧振時的頻率。即：另一個是并聯(lián)諧振頻率fp，它是等效電路的諧振頻率。即：由于Cg

1926年，Y切割晶體首先被發(fā)現(xiàn)和使用。直到此時，X切割石英晶體一直是唯一使用的形式。發(fā)現(xiàn)雖然X切割晶體的溫度系數(shù)約為-20ppm/°C，而Y切割晶體的溫度系數(shù)約為+100ppm/°C，但它表明不同晶片的切割方式可能呈現(xiàn)不同的溫度系數(shù)。

1927年，貝爾實驗室的沃倫·馬里森開發(fā)的第一個石英晶體振蕩器標準。

1928年，貝爾電話實驗室的沃倫·馬里森(Warren Marrison)開發(fā)了第一個石英晶體時鐘。Quartz時鐘取代了精密擺鐘 ，成為 世界上最精確的計時器（原子鐘）。

其原理是利用原子吸收或釋放能量時發(fā)出的電磁波來計時的。原子鐘的計時裝置，精度可以達到每2000萬年才誤差1秒，目前世界上最準確的計時工具就是原子鐘。

1934年，石英晶體諧振器的AT和BT切割首次出現(xiàn)。這些切口是由美國的拉克、威拉德和費爾、日本的古賀以及德國的貝克曼和斯特勞貝爾獨立發(fā)現(xiàn)的。

2.晶振的研發(fā)期：晶振實現(xiàn)量產(chǎn)

1950年，開發(fā)出原子鐘 ，石英時鐘在30年內(nèi)的精度最高為1秒(30ms / yr)貝爾實驗室開發(fā)了一種用于以商業(yè)規(guī)模生長石英晶體的水熱工藝。

1956年，合成生長的石英變得廣泛可用。

3.晶振的發(fā)展期：批量化規(guī)?；l(fā)展由軍用轉民用

1968年，北美航空的Juergen Staudte發(fā)明了制造石英晶體振蕩器的光刻工藝。這使它們能夠做得足夠小，可以用于手表等便攜式產(chǎn)品。

1970年，電子產(chǎn)品中幾乎所有的晶體都是合成的。

1976年，第一個SC切割晶體可用。它們主要用于恒溫晶體振蕩器，因為它們在這些恒溫晶體振蕩器工作的溫度下具有最佳溫度系數(shù)。

4.晶振迅速發(fā)展期：電子產(chǎn)品多樣化應用多元化

1990到至今在，30多年來，石英晶振發(fā)展方向從DIP到SMD小尺寸，封裝由傳統(tǒng)的金屬外殼向覆蓋塑料、金屬和陶瓷封裝的轉變；精度、頻率也越來越高，工藝要求越發(fā)精細化；使用范圍也從單一應用領域到如今5G、物聯(lián)網(wǎng)、汽車電子、智慧醫(yī)療、智能家電等多元化場景。

三、總結：

1880～1956年的70多年是石英晶振的起步期，這個時期內(nèi)創(chuàng)新人才輩出，深遠影響的發(fā)明層出不窮。石英晶振經(jīng)過多年的發(fā)展才發(fā)展到今天的地步，科技進步不可能一撮而就，它是一個逐步認識、發(fā)現(xiàn)和成熟的過程。