晶振，全称为晶体振荡器，是一类可产生一定频率震荡信号的电子元器件，在许多的电路中被作为时钟信号的发生器，能够提供稳定的时钟频率。

与晶振相关理论的完善经历了近一个半世纪的时间，而晶振最终运用到我们触手可及的产品中，更是三十年前才有的事。1880年，居里兄弟在石英水晶片上施加机械力产生了电荷偏移，提出了压电效应；1918年，朗之万使用X切割石英板来生成并检测水中的声波；1921年，卫斯理大学的凯蒂教授为石英晶体振荡器申请了专利，直到这时，X切割石英晶体一直是唯一被使用的形式。；1926年，Y切割晶体首先被发现和使用。20世纪50年代，用于商业规模生长石英晶体的水热工艺被提出并得到了长足发展；20世纪60~70年代，石英晶振得到了批量化和规模化发展，逐渐被从军用市场下放至民用市场；20世纪90年代至今，搭载石英晶振的产品不断涌现，其应用也变得更加多元化。

常见电路中使用的晶振，约一半都是石英晶振。与卫星上的铷原子钟和氢原子钟相比，石英晶振价格便宜、材料易得；与LC振荡电路相比，石英晶振提供的震荡频率稳定，可使电路有较高的稳定性，这些优点都使得石英晶振广泛使用。

石英晶体有个很特别的性质：它在外加电压时会产生机械震荡，而给石英晶体外加一个机械力，它又会产生电。这种机-电-机-电之间的转换的特性被称为石英晶体的压电效应。根据石英晶体的压电效应，可以通过在电路中给石英晶体加上交变电压，产生谐振，从而得到频率恒定的时钟信号。

在实际应用中，电路可能需要不同频率的时钟信号。假设我们有一个频率为10MHz的石英晶振，但是根据要求需要一个10kHz的方波，这时我们通过可以用分频1000倍的方式得到。同理，一些其它频率的信号也可以通过分频或倍频得到。但当我们需要的频率并不是10MHz的整数倍，也不是10MHz的整数分之一倍，这时就没有办法通过分频或者倍频来得到信号了。解决这个问题的办法是生产能够产生不同振荡频率的石英晶体。理论证明，石英晶体振荡的频率与石英晶体的形状有关。石英晶体是单晶体，理想几何形状是正六面体晶柱，可用三条互相垂直的晶轴表示。在加工石英晶体的过程中，切割的方向和切割后的尺寸都会影响到石英晶体的振荡频率。如今的加工工艺可以将石英晶体的几何尺寸控制得十分精确，石英晶振的振荡频率也就可以被精准地控制。

虽然与LC振荡电路产生的振荡信号相比，石英晶振产生的振荡信号已经稳定了太多，但是石英晶振也并不是绝对稳定的。石英晶振在使用过程中也会受到外界变化的影响，温度、湿度和使用时间等都会影响其振荡频率。由于石英晶振在价格和性能方面都具有优越性，所以在对稳定度要求相对不高的情况下石英晶体通常都会是首先的选择。

现如今，电子设备进入人们生活的方方面面，智能终端正在逐渐向小型化发展。随着近些年可穿戴智能设备等产品进军市场，轻、薄、小这些对智能终端的希望促进了晶振向小型化发展。那么晶振的小型化有哪些难点呢？一般情况下，当水晶振动子的尺寸从1.2×1.0mm减小到1.0×0.8mm时，串联电阻值（CI值）会升高30%左右，也就是说水晶元件的小型化会会伴随着电气特性偏差较大的问题，结果就是振荡频率也会产生较大偏差。京瓷晶体元件株式会社开发出的全球最小的水晶振动子CX1008（1.0×0.8mm）解决了这一问题。京瓷与大阪大学副教授山村和也团队共同研发的超高精度加工技术（等离子体CVM技术），成功减小了频率偏差。该加工技术利用了等离子体中的中性自由基与加工物表面发生化学反应的特性，可以对水晶的厚度及表面状态等进行高精度控制。此外，京瓷高精度半导体工艺技术，提高了水晶元件的尺寸精度，有效解决了串联电阻值偏差较大的问题。此次研发出的全球最小的水晶振动子将被用在智能手机、穿戴式终端上，因为这项技术突破，智能终端的尺寸将可能变得更小。

晶振还在其它许多领域有着重要的应用。超稳晶体振荡器(Ultra-Stable Oscillator, USO)是短期稳定度和相位噪声最高的恒温振荡器类产品。它凭借其优异的性能、超小的体积和高可靠性，被广泛用于空间科学。航天科工203所成功研制了一款小型化、低功耗的星载恒温晶振。该产品仅有硬币大小，体积缩小到了原星用产品的四分之一，重量是原来的一半，功耗是原来的60%，常温稳定功耗只有0.7瓦。

参考文献：

【1】张威威.晶振老化漂移的建模与补偿.西安电子科技大学，2012

【2】彭杰纲.传感器原理及应用.北京：电子工业出版社，2017.2

【3】杨兴晶振. 一文看懂！史上最全的晶振发展历程.，2021.11

【4】吴巍，王巨.小型化低功耗恒温晶振助力卫星深空探测“飞得更远”. 北京无线电计量测试研究所，2019.11

【5】杨磊. 宇航用小型化超稳晶振（USO）设计与实现. 中国空间技术研究院西安分院，2021.05

文本：王月欣 校对：杨一川 排版：颜剑波