一种测量石英晶体谐振器静电容的新方法

　　1． 引言

　　石英晶体谐振器（以下简称为石英晶体）作为一种性能优良的频率基准和时钟源在电子领域有着广泛应用。石英晶体的中间测试在石英晶体的生产中是处于微调和封装之间的工序，要求对石英晶体的基本电参数进行测量，以保证产品最终质量。在石英晶体的中间测试中，需要测量串联谐振频率、串联谐振电阻、负载谐振频率、负载谐振电阻、静电容、动电容、频率牵引灵敏度和DLD等参数。其中，静电容C0主要由石英晶体两端所镀银膜决定，表征了石英晶体的静态特性，与石英晶体的串联谐振频率和负载谐振频率等应用指标密切相关。根据静电容和其它参数的关系，还可以计算出负载谐振电阻、动电容、频率牵引灵敏度和DLD等参数的值，这在实际测量中是经常采用的方法。静电容的测量是石英晶体中间测试的重要内容。目前，IEC（国际电工委员会）所推荐的石英晶体测量的标准方法是π网络零相位法。在该方法中，未规定测量静电容的标准方法。若采用谐振法、交流电桥法等常用方法来测量静电容，会增加整个测量系统的复杂性，并且对谐振频率的测量产生不利影响。本课题提出了一种基于π网络零相位法的测量石英晶体静电容的新方法，并据此设计制作了实验测量系统。

　　2．测量原理与电路

　　2．1石英晶体的等效电参数模型

　　石英晶体的等效电参数模型如图1所示：

　　其中，C0是石英晶体两电极间的电容，称为石英晶体的静电容，C1称为石英晶体的动电容，L1称为石英晶体的动电感，R1表示石英晶体在振动时的损耗，称为串联谐振电阻。当激励信号的频率等于石英晶体的谐振频率时，其等效电参数模型为纯电阻。由于C1、L1的值非常小，当激励信号的频率远离石英晶体的谐振频率时，R1、C1、L1的影响可以忽略不计，此时，石英晶体等效成一个值为C0的电容。

　　2．2 π网络法原理

　　IEC所推荐的π网络如图2所示：

　　网络的阻抗与测试仪表的阻抗相匹配，并衰减来自测试仪器的反射信号。M为待测石英晶体。Va是输入激励信号，Vb是π网络输出信号，它们都是矢量电压信号。当石英晶体处于谐振状态时，其表现为纯电阻特性，此时Va与Vb之间相位差为零，Va的频率即为石英晶体的串联谐振频率。所以，通过改变Va的频率并检测Va与Vb之间相位差可以找到石英晶体的谐振频率。对于π网络中石英晶体的静电容如何测量，IEC并未推荐标准方法。π网络由对称的双π型电阻回路组成，R1、R2和R3构成输入衰减器，R4、R5和R6构成输出衰减器。