石英錶工作原理和元件結構

石英錶工作原理和元件結構

石英錶是腕錶種類之一，英文是quartz watch。 將石英晶體運用在鐘錶上是一種現代的發明，第一隻石英錶在1969年首度出現。

工作原理

和音叉會循某種規律振動一樣，當石英晶體受到電池電力影響時，它也會產生規律的振動。

石英晶體每秒的振動次數高達32768次，我們可以設計簡易的電路來計算它振動的次數，當它數到32768次時，電路會傳出訊息，讓秒針往前走一秒。

因為石英的振動相當規律，即使是便宜的石英錶，一天之內的誤差率也不會超過1秒。石英錶也可叫做“石英振動式電子錶”，因為它是利用石英片的“發振現象”。

當石英接受到外部的加力電壓，就會有變形及伸縮的性質，相反，若壓縮石英，便會使石英兩端產生電力;這樣的性質在很多結晶體上也可見到，稱為“壓電效應”。

石英錶就是利用週期性持續“發振”的水晶，為我們帶來準確的時間。

首先，將石英錶內的石英片上加電，石英便會以32768赫茲的周波數，正確地振動;然後必須將此頻率化成1Hz(電流一秒間的一次變化)的訊號電流周波數。

再增加些訊號的幅度(由於因振動而產生的電流甚弱)，跟著些訊號電流再發動轉子齒輪，表上的秒針便會隨之發動。

之後分針，時針的跳動則關乎於機械結構上的.原理，如：秒針跳動60下，分針便會跳一下。

所有石英錶都裝有一粒電池。它為一塊積體電路和一個石英諧振器提供能量，每秒振動32768次。還有比這更快的。積體電路是表的“大腦”。它控制著石英諧振器的振動，並起著分頻器的作用。32768次振動被對半分割15次，以達到每秒產生一次脈衝。 有了一秒這個時間的“原材料”，就能驅動鐘錶。

石英晶體的應用使得手錶可以大量生產，不但生產速度比以前快很多，價格也隨之下降。每年約可製造5億隻手錶，供應全球使用。

元件結構

CMOS積體電路

石英錶的積體電路，全名為互補型金屬一氧化物一半導體積體電路(Complementary Metal oxide -Semiconductor)縮寫成CMOS。它控制了電子錶的所有功能。積體電路晶片面積約有10平方毫米，用金線或鋁線點焊而接到電路板的引線石英錶上再加黑色封膠保護。這種積體電路的特點是整合度高，就是很小面積的矽片始容得下數千個電晶體，並且耗電極低。根據半導體過去質景的記錄，在合理使用的情況下，積體電路損壞的機會很小，壽命應該是很長的。常見的電子錶積體電路損壞，絕大部分都是由於使用時受外界(水汽、靜電等)破壞引起。

液晶顯示器

一般認為物質只有固體、液體和氣體三種狀態。這種看法並不完全正確，特別是對某些有機物來說，由固體變為液體並不是簡單的轉變，而要經過一個相當複雜的轉變過程。例如，有機物在16℃時熔化，76℃時變成完全澄清的液體。此時，一方面具有液體的流動性，同時又具有液晶體的性質，即晶體所具有的光學特性和晶體電學特性，因此它是介於固體和液體之間的一種中間狀態，故稱液晶體。液晶體一般由樟狀柱形對稱分子。

石英振子

石英，是一種氧化矽結晶體(Silicon Oxide)可分為人造晶體和天然晶體兩種，由於天然晶體含有雜質，所以電子錶一般採用人造晶體。石英有這樣的特點;當在晶體上施加電氣時，晶體便產生機械變形，當在晶體上施加壓力時，它便變形產生電氣。這種現象叫做石英的壓電效應。因它具有這種特性而且振盪頻率高而穩定，所以，被視為理想的振盪器件而應用於電子錶中。由於採用了石英晶體振盪子代替擺輪，使得電子錶比機械錶的走時精度提高了千百倍。

微調電容

微調電容與石英振子等組成電子手錶的振盪電路，調節此電容的容量可以改變振盪頻率，以達到標準的32768Hz。微調電容無論微調電容還是振盪電容，容量越小，頻率越高。說明，假定開始時動片與定片金屬部分剛好對正，即0。這時電容量最大(3 5PF)，而頻率最低。相對角度改變到某一點時，頻率剛好為32768H正點，再到到最小電容5PF，這時頻率相對亦為最高，這樣迴圈改變，在實際調整時，變化當然不一定如理想曲線，但只要它出現有32768H.的調正點，使可達到調校的目的。

振盪電容

升壓、穩壓與振盪電容部是陶瓷小電容，陶瓷介質與銀一鈀電極層 迭合而成電容。瑞士手錶用於升壓與穩壓的電容，其數值因CMOS不同而使用0.2uf，0.0147uf或0.1uf的電錶。振盪電容又名補償電容，因不同的振子負荷電容而使用不同數值。負荷電容CL為10.5PF的振子;振盪電容為18PF，CL為12.5PFe的振子，振盪電容虛選27PF。有些CMOS品片上已有內接振盪電容，只要選取合適振子，便不用外加振盪電容。