石英晶体基础

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1、石英晶体基础石英，学名二氧化硅。是自然界分布最广的物质之-。它有五种变体(卩石英、(X石英、oH磷石英、方石英、溶炼石英)，其中a石英和0石英具冇压电效应，当丿逝加压力在晶片表面时，它就会产生电气电位，相对的当一电位加在芯片表面时，它就会产生变形或振动现彖，掌握这种振动现象，控制其发牛频率的快慢，以及精确程度，就是水晶振荡器的设计与应用。石英是由硅原子和氧原子组合而成的二氧化硅(SiliconDioxide,Si02),以32点群的六方晶系形成的单结晶结构(图一)•单结晶的石英晶体结构具有压电效应特

2、性，当施加压力在晶体某些方向时，垂直施力的方向就会产生电气电位.相对的当以一个电场施加在石英晶体某些轴向时，在另一些方向就会产生变形或振动现彖.掌握单结晶石英材料的这种压电效应，利用其发生共振频率的特性,发挥其梢确程度作为各类型频率信号的参考基准,就是水晶震荡器的设计与应用.因为石英晶体具有很髙的材料Q值，所以绝人部份的频率控制组件,如共振子及振荡器，都以石英材料为基础.以石英为基础的频率控制组件可以依其压电振动的属性，可以分为休波(bulkwave)振动纟II.件及表面声波(surfaceacou

3、sticwave)振动纽.件.体波振动组件如石英晶体共振子，石英晶体滤波器及石英晶体振荡器，表而波振动组件如表面波滤波器及表面波共振子.当石英晶体以特定的切割方式，以机械加工方式予以表面研磨,完成特定的外型尺寸就是通称的石英芯片(quartzwafer或quartzblank).将这个石英芯片放置在真空还境中，于表面镀上电极后，再以导电材料固定在金属或是陶瓷基廉上，并加以封装,就成为一般所谓的石英晶体共振子(quartzcrystalresonator).利用石英共振子在共振时的低阻抗特性及波的重迭

4、特性，用邻近的双电极，可以做出石英晶体滤波器.将石英振荡子加上不同的电子振荡线路，可以做成不同特性的石英振荡器•例如：石英频率振荡器(CXO),电压控制石英晶体振荡器(VoltageControlledCrystalOscillator,VCXO),温度补偿石英品体振荡^(TemperatureCompensatedCrystalOscillator,TCXO),fl［温槽控制石英晶体振荡器(OvenControlledCrystalOscillator,OCXO)…等.相对于体波谐振的是表面声波的

5、谐振将石英晶体表血镀以叉状电极(inter-digital-transducer,IDT)方式所产生的表而振荡波，可以制造出短波长(高频率)谐振的表而声波共振子(SAWResonator)或表而声波滤波器(SAWFilter).(Fig.1)Crystallizedquartzmaterial1•石英晶体的性质石英晶体的化学性质极为稳定，常温下不溶于盐酸、硝酸、硫酸等水和酸，只溶于红氟酸。在加热时石英晶体能溶丁•碱溶液，这个特点成为人造水晶的基础。因此现在一般采川氟化氢氨对石英晶体进行腐蚀。2•石英

6、晶体的结构石英品体的理想外型见图1」，从图中可以看出，石英品体存在左旋与右旋之分，左、右旋晶体为镜像对称。石英晶体的理想外型总共有三十个晶而，共分五组，每组六个，BP：六个M面（柱面）,六个R面（人棱而），六个r（小棱面），六个S面和六个X面,图bl石英晶体的理想外型实际上理想的外型是很难见到的，尤其是人工培冇的水晶，由于籽晶的切割方位及外型不同使我们看到的形状与上图大不相同，甚至面冃全非，各种结晶面不易辨认。表石英品体各品面法线Z间的夹角计算值和测量值（《压电石英品体》秦口楷1980,p3）夹角计

7、算值测量值夹角计算值测量值mm60°(T60°(TRx54°5r—mR38°13，38°13，Rr46°16'46°1&mr38°13'38°13'sR28°54，28°58，ms37°58，37°55'Sr28°54，28°58，mx12°r12°rsx25°57'25°54'表1・1水晶基本面间的夹角角度值夹角角度值mm60°Rr46°16/mR38O13ZRR185°45‘mr38T3'rrl85°45‘mx12°rms37°55,3•石英晶体原子面采用布拉维■米勒指数和三和轴系，z轴与三根x

8、轴构成坐标系。晶体屮任一平面与四根坐标轴的每一根相交，若平面同一根轴平行，则交点小包含无限远点。因此布拉维•米勒（B-M）指数就是一组四个数字,它们依次正比于平面同XI、X2、X3和Z轴相交点倒数的最小整数。在B・M系中，前三个指数的代数和必为零。因此第三个数字通常不写出而用一个点代替。若B・M指数屮出现负号，则通常将负号置于数字Z上。由于石英具有对映性的特点，所以在建立坐标系的时候，必须考虑石英的左、右旋，若右旋品体用右旋处标系，左旋晶体用左旋坐标系，则所冇物理特性