X和Z在我们眼里可能就只是普通的英文字母，但在贴片晶振产业领域却有着，非同凡响的含义和特性，因为X和Z是石英晶体的两条延伸矩形。早期研发晶体X和Z延伸矩形的厂家并不多，台湾晶技公司是其中一家，这个发现奠定了后期AT切割晶振的发展和使用，以及小型化SMD晶振生产的方向。
在这项研究中，TXC晶振公司提出了不同尺寸的X和Z'拉长矩形AT切石英板的斜切工艺，等效串联电阻（ESR），温度曲线，温度滞后和抗冲击性能的不同特性。结果表明，安装在两个宽度侧的Z'细长石英带具有更好的温度滞后和抗冲击性能。对于模式耦合，斜切工艺和温度曲线，X和Z'拉长的矩形AT切割石英板具有各自的特性。
矩形AT切割石英谐振器最初是在70年代早期开发的，因为它们体积小，易于制造。对矩形板的不同纵横比的共振特性进行了许多研究。根据研究，可以推断出以下内容。当矩形板的长度沿X方向并且宽厚比小（即DT切割）时，厚度剪切（TS）模式和面剪切模式之间的耦合很强[1][2]。另一方面，当矩形板的长度沿Z'方向并且板安装在两个宽度侧上时，TS模式与弯曲模式[3][4]更强地耦合。虽然这些研究为设计人员提供了有价值的信息，但它们被认为是过时的，因为今天的石英晶体谐振器的尺寸要小得多。例如，现在典型的3225（3.2mm×2.5mm）9.8MHz封装的石英晶体仍具有约0.17mm的坯料厚度，但坯料尺寸仅为2.1mm×1.5mm。长度与厚度和宽度与厚度之比都很小。较早的设计规则可能不再适用于较大的空白。
矩形切割石英晶体板的定向：
由于TS模式的立方频率-温度曲线，AT切割石英晶体具有高温度稳定性，广泛应用于晶体谐振器应用中。

图1.石英条的全局坐标和本地AT切割板坐标

如图1所示，虚拟切片（板）最初相对于全局晶轴+X，Y和Z对齐，并且该板被定义为具有Y方向的法线。然后，对于AT切割，板绕+X轴逆时针旋转约35°15'，Y轴和Z轴随着Y'和Z'轴一起移动，Y'是新的法线方向。为了小型化，石英晶振的封装类型从DIP（双平面内）改变为SMD（表面贴装器件），并且石英晶体芯片从圆形变为条形。不同的长宽比，即图2中所示的X和Z'细长，导致不同的模耦合，能量俘获和应力-频率特性。

图2.（a）X-拉长和（b）Z-拉长矩形AT切石英板

X和Z'延长的矩形切割石英芯片的特性：
在本节中，介绍了X和Z'延长矩形AT切石英板的斜切频率偏移，ESR，频率-温度曲线，温度滞后和抗冲击性。
斜角频移：
斜切是一种使石英带的中心区域更厚的形状以捕获振动能量并最小化安装损耗的过程。随着斜切过程的进行，晶体板的边缘变薄，并且TS模式频率变得越来越高。然而，由于斜切而导致的TS模式频率增加率对于X和Z'细长板是不同的，因为单晶石英是各向异性材料并且刚度常数在X和Z'方向上是不同的。

图3.（a）X-细长和（b）Z'细长轮廓矩形AT切石英晶体板

图4显示了12MHz压电晶体示例。斜切前这两块石英晶片的厚度均为0.173mm，但尺寸为1.803mm（X）×1.230mm（Z'）（X-拉长）和1.230mm（X）×1.803mm（Z'）（Z'-拉长）。在这种情况下，Z'拉长的一个在斜切过程中具有更快的TS模式频率增加率。

图4.斜切过程中X和Z'拉长晶体板的TS模式频率增加率

频率-温度曲线：
AT和DT切割都是在同一晶面中的剪切模式，如图5所示，但主要区别在于频率-温度特性。AT切割板的法线为Y'轴，运动为厚度剪切;但是，DT切割板的法线是Z'轴，运动是面剪切。由于晶体板的Z'尺寸的变化，AT切割TS模式将周期性地与DT切割面剪切模式耦合，并且将影响频率-温度。

图5.AT切割TS模式和DT切割面剪切模式的图示

图6显示了具有相同厚度和切割角但不同长宽比的两个晶振组的频率-温度曲线。两组的厚度和切角分别为0.045mm和35.23°。但晶体板尺寸为3.5mm（X）×1.785mm（Z'）（X-拉长）和1.785mm（X）×3.5mm（Z'）（Z'拉长）。这两组具有不同的温度曲线，甚至切角也是相同的。

图6.具有相同切割角但不同长宽比的两个谐振器组的温度曲线

等效串联电阻：
在最后一节之后，图7显示了3.2节中两组的ESR（25℃）。Z'和X伸长组的电极面积为1.42mm×0.72mm;然而，Z'细长谐振器的ESR远小于X细长谐振器的ESR。ESR差异的主要原因是AT和DT切割模式耦合以及沿X和Z'轴的X方向位移场的不同分布。

图7.具有相同电极面积的Z'和X细长谐振器组的ESR

温度滞后：
由于晶体谐振器经历了一个热循环，从室温（25℃）到高温（如120℃），再到低温（如-40℃），再回到室温（25℃），频率在25℃时可能会发生变化。由于热循环引起的频移是温度滞后。在仅延伸安装在两个宽度侧角上的X形细长晶体板中并不明显;然而，温度滞后是非常严重的，因为晶体板的四个角通过安装胶固定，如图8所示。

图8.（a）两个角安装X-细长晶体板

（b）四角安装X-拉长的晶体板
（c）四角安装Z'细长晶体板

图9显示了两个谐振器组的温度滞后，它们都是0.051mm厚和四个角安装。电极面积均为1.8mm×1.2mm，但SMD晶振尺寸为4.4mm（X）×1.55mm（Z'）（X-拉长）和1.55mm（X）×4.4mm（Z'）（Z'拉长）。它表明Z'拉长晶体带的频率稳定性优于经过热循环的X伸长晶体带的频率稳定性。

图9.Z'和X细长谐振器组的温度滞后

抗冲击性：
跌落试验是评估谐振器抗冲击能力的一种方法。本研究中下降的条件是自由下落，150cm高度，在混凝土地面上，和5次。在测试之前和之后测量频率和ESR;这两种性质的转变是抗冲击性的指标。图10和11是由于跌落测试引起的Z'和X细长谐振器的频率和ESR偏移。这两组都是0.116mm厚，四角安装，但有3.5mm（X）×1.82mm（Z'）（X-细长）和1.82mm（X）×3.5mm（Z'）（Z'-细长的尺寸。这两个图表明Z'细长贴片石英晶振的频率和ESR偏移很小;这意味着Z'细长板具有更好的抗冲击性，因为耦合的挠曲振动沿X方向传播，力-频率系数在X和Z'方向上不相等[5]。

图10.由于跌落测试导致的Z'和X-长度谐振器组的频移

图11.由于跌落测试导致的Z'和X-长度谐振器组的ESR偏移

在本文中，进行了一系列实验来研究X和Z'细长AT切割石英晶体谐振器的性能，斜切频率偏移，ESR，频率-温度曲线，温度滞后和抗冲击性。结果表明，Z'拉长的石英带在温度滞后，ESR和抗冲击性方面具有更好的性能。另一方面，对于斜切频率偏移和频率-温度曲线，X-和Z'-长矩形AT切割石英板分别具有自己的特性。
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