文档介绍：石英晶体基础知识
深圳市锐晶星电子科技有限公司
石英晶體諧振器基礎知識
培训教材
(共8页)
2007年7月1日
第一章石英晶体的基本特性
石英晶体谐振器基础知识培训教材
第一节石英晶体的压电特性
图1-1示出了石英晶体具有压电效应的两种现象。图1-1a当沿Y 轴加压缩力时,则在X轴正端垂直面上,出现正电荷(晶体的伸缩弯曲振动就是按此激起的)。图1-1b中当对晶体施加正切应力时,则在垂直Y
上述现象表明石英晶体是一种各向异性的结晶体,它具有压电效应。当沿某一机械轴或电轴施以压力或拉力,则在垂直于这些轴的两个表面上产生异号电荷±q。其值与机械压力所产生的机械形变(位移)X成正比。即:q=k 1x ﹎﹍(1-1)
式(1-1)所表征的效应称为正压电效应,正压电效应是以机械能为因,电能为果的效应。
石英晶体还具有逆压电效应。如果在石英晶体片两面之间加一电场E,则视电场的方向不同,晶体将沿电轴或机械轴延伸或压缩,延伸或压缩量X与电场强度E成正比,即:X=K2E ﹍(1-2)
式(1-2)所表征的效应称压电逆效应。是以电能为因,机械能为果的效应。
由上面的讨论可以看出,正、逆压电效应互因果关系。如果将石英晶体片置于交变电场中,则在电场的作用下,晶体片的体积将起压缩和伸张的变化,由此形成机械振动,晶体的振动属体波振动,当晶体片振动时,逆压电效应使得晶体片具有导电性,这种压电性叫做压电导电性。石英片固有的振动频率取决于晶体片的几何尺寸、密度、弹性和泛音次数。当晶体片的固有振动频率与加于其上的电场频率相同时,则晶体片将发生谐振。此时振动的幅度最大,压电效应在晶体片表面产生的电数值和压电导电性也达最大。因此,外电路中的交变电流也就最大。这是用以稳定频率的理论基础。
第二节石英晶体在不同温度下的各种变体
在正常的压力下,石英晶体随着温度的不同共有五种不同性质的变体,即:
(1)α石英,其温度低于573℃时为稳态,就是我们通常用的压电石英晶体。
(2)β石英,对α石英加温超过573℃时,即转变为β石英,它在573℃~870℃之间为稳态,但此时没有压电效
应,也不能用作压电元器件了。
(3)磷石英,当对β石英加温超过870℃,β石英变为磷石英,它在870℃~1470℃之间为稳态。
(4)方石英,当对磷石英加温超过1470℃时,磷石英变为方石英,
它在1470℃~1710℃之间为稳态。
(5)石英玻璃,当对方石英加温超过1710℃时及以后即开始溶化,熔化后的石英,将温度降低也不能上述
五种形态可用下式开示:
573℃ 870℃ 1470℃ 1710℃
α石英石英方石英石英玻璃
由此看出,我们常用的α石英,其临界温度为573℃。若超过这一温度,它将失去压电效应,这是我们在加工过程中必须十分注意的问题。
第三节石英晶体的物理特性
各向异性是石英晶体典型的物理特性,它具有以下物理常数。即:
⑴、密度率:;
⑵、折射率:(),有旋光性;
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⑶、声速:V=E/e E为杨氏系数,随方向改变有不同的取值;
⑷、热膨胀系数:平行于光轴X=×10(0℃时) 垂直于光轴X=×10(0℃时);
⑸、绝缘性能:平行于光轴R=1×=2×;
⑹、导热性能:没Z方向比沿垂直Z方向的导热性约大一倍;
⑺、弹性性能:其杨氏系数在各截面上是不相同。
第四节石英晶体的化学特性
石英晶体的化学性能稳定,不受强酸的腐蚀,在一般情况下不溶解于水,不产生潮解,但石英晶体在氢***酸和水玻璃中能够溶解,因此,在加工过程中我们常用氢***酸(HF)作石英晶体的腐蚀剂,其化学反应式如下:
(1) Si02+6HF=SiF4+2H20+2HF=H2SiF6+2H20
(2) Si02+4HF=SiF4+2H20 3SiF4+3H20=H2Si02+2H2SiF6
上述的溶解特性对石英也是各向异性的,沿光轴方向的溶解速度比沿垂直光轴方向要快100倍;电轴方向慢,而且电轴的负端比正端腐蚀速度还要慢。
第五节石英晶体的机械特性
石英晶体的硬度为莫氏硬度七级,有良好的机械性能,但性脆,易碎裂,加工中要特别注意。由于石英
第六节石英晶体的缺陷
上述石英晶体的一些特性都是对无缺陷的石英晶体而言,但实际上这种理想的石英在自然界是很少见,实际见到的多数都有某种缺陷,即使是人造石英也难以做到没有缺陷,常见的缺陷有:
(1) 双晶:即两个以上的晶体按一定的取向而生长的现象,其中两光轴平行共生的有道芬双晶,巴西