石英晶体是一种重要的电子材料.用它设计制作的现代社会不可缺少的石英晶体谐振器,石英晶体振荡器和滤波器等水晶频率元件,在稳频和选频方面都有突出的优点.沿一定方向切割的石英晶片,当受到机械应力作用时将产生与应力成正比的电场或电荷,这种现象称为正压电效应.反之,当石英晶片受到电场作用时将产生与电场成正比的应变,这种现象称为逆压电效应.正,逆两种效应合称为压电效应.石英晶体不仅具有压电效应,而且还具有优良的机械特性,电学特性和温度特性.关于Fortiming crystal技术.
关于Fortiming crystal
Fortiming crystal公司致力于为客户提供全面的优质石英晶振频率控制产品系列,并为客户提供有关频率控制市场的新信息,其目标是通过为客户,员工和供应商提供无与伦比的客户服务和坚定不移的长期承诺来稳步发展.Fortiming公司提供优质量产品,工程支持和有竞争力的价格.我们的石英频率控制器件系列包括贴片晶振,晶体时钟振荡器,TCXO,OCXO,VCXO和晶体滤波器.这些器件采用多种引线和SMD设计它涵盖了新产品开发,新应用,新制造技术以及业务开发.
1.简介
石英是一种压电材料.当电压施加到两个电极时,具有连接到相对表面的电极的薄石英晶片机械振动.振动频率主要是晶片尺寸的函数.晶片被称为晶体谐振器,当适当地安装有电极时,长期以来一直用于控制无线电发射器的频率,并且它已成为电信通信设备中必不可少的部件,其压电特性用于滤波器,振荡器和其它设备.现在石英晶体为微处理器,计算机,可编程控制器,手表和其他数字设备(如各种DSP)提供时间和坐标信号.
石英是二氧化硅(SiO2)的结晶形式.它是一种坚硬,易碎,透明的材料,密度为2649kg/m3,熔点为1750℃.石英不溶于普通酸,但可溶于氢氟酸和热碱.当石英加热到573℃时,其晶形发生变化.高于此转变温度的稳定形式称为高石英或β-石英,而稳定形式低于573°C被称为低石英或α-石英.对于石英晶振应用,只有α石英是有意义的,除非另有说明,否则后续的术语石英总是指α-石英.石英是一种丰富的天然材料,但需要大量的劳动力才能将优质的天然石英与劣质天然石英分开.虽然硅(主要以二氧化物形式,通常为小石英微晶)占地壳的大约三分之一,但是主要在巴西发现了适用于采用其压电特性的装置的尺寸和质量的天然石英.天然石英的加工成本也很高,因为它以随机的形状和尺寸出现.此外,一些劣质石英片段仅在部分加工后才被发现.天然石英中广泛存在的杂质常常使切割小晶片变得不切实际.开发培养石英的第一个重要步骤是在1936年,当时美国陆军通信兵团在Drs的指导下向Brush实验室签订了合同.贾菲,黑尔和索耶.这是因为天然石英的缺乏,具有良好的压电质量,通常从巴西购买.
今天,石英现在人工种植到特定的尺寸.控制晶体取向,纯度均匀.标准尺寸降低了切割晶片的成本,并且杂质广泛分散,使得需要低驱动功率的小谐振器成为可能.
2.培养石英的基本过程
培养的石英在称为高压釜的大型压力容器中生长(参见下面的示意图).高压釜是一个金属圆筒,一端封闭,能承受高达30,000磅/平方英寸的压力,内部温度为700至800°F.它通常高12至20英尺,直径2至3英尺

将纯的但未面对的石英晶体谐振器中的石英(尺寸为1至1.5英寸)的小碎片(称为“lascas或营养物”)放置在金属丝网篮中并降低到容器的下半部分中.带有预先安排的孔的钢板,称为“挡板”,设置在篮筐的顶部.挡板用于分离生长(种子)区域和营养区域,并帮助建立两个区域之间的温差.适当取向的单晶板(天然的或培养的),称为"种子",安装在架子上并悬挂在容器上半部的挡板顶部.然后将高压釜用碱性水溶液(碳酸钠或氢氧化钠)填充至其自由体积的约80％,以允许将来的液体膨胀,并用高压封闭物密封.然后通过连接到圆筒外圆周的一系列电阻加热器使高压釜达到工作温度.随着温度升高,压力开始在高压釜内形成.温度为700至800在容器的下半部分达到°F,而上半部分保持在比下半部分低70至80°F的温度.
在操作压力和温度下,lascas溶解在容器下半部分的加热溶液中,然后上升.当它达到容器上部的较冷温度时,溶液变得过饱和,导致在lascas内溶解的石英重新结晶到种子上.然后冷却的废溶液返回到容器的下半部分以重复循环,直到拉斯卡斯耗尽并且培养的石英石达到所需的尺寸.这种所谓的"水热法"时间范围为25至365天,具体取决于所需的石材尺寸,性质和工艺类型-氢氧化钠或碳酸钠.
3.石英晶体的对称性,孪晶和尺寸
α-石英属于晶体学类32,它是六角形棱柱,每端有六个帽面.棱镜面指定为m面,盖面指定为R面和r面.R面通常被称为主要菱形面,r面是次要的菱形面.左手和右手晶振都是自然发生的,可以通过S面和X面的位置来区分.

如上面的示意图所示,α-石英晶体具有三重对称的单轴(三角轴),并且它具有与该三角轴垂直的三个双重对称轴(二轴).二维轴间隔120°并且是极轴,也就是说,可以为它们分配一定的感觉.极轴的存在意味着缺乏中心对称性,并且是压电效应存在的必要条件.二轴也称为石英电轴(x轴,y轴).在具有完全发展的自然面的晶体中,每个极轴的两端可以通过S面和X面的存在或不存在来区分.当在电轴方向上施加压力时,在由这些面改变的轴的那一端产生负电荷.三角轴,也称为光轴(z轴),不是极性的,因为与其垂直的二轴的存在意味着三角轴的两端是等效的.因此,沿光轴不会产生压电极化.在直角坐标系中,z轴平行于m个棱镜面.以其垂直于x轴的主表面切割的石英板称为X切割板.将切割绕z轴旋转90度给出Y切割板,其y轴现在垂直于主表面.由于石英晶体具有六个棱镜面,因此x轴和y轴存在三种选择.选择是任意的;每个行为都相同.
石英是一种光学活性材料.当沿着光轴传输平面偏振光束时,发生偏振面的旋转,并且旋转量取决于在材料中穿过的距离.旋转感可用于区分两种天然存在的α-石英形式,称为左石英和右石英.在左石英中,当观察者看向光源时,偏振平面逆时针旋转,而在右石英中,它顺时针旋转.产生的大多数培养石英是正确的石英,而在天然左右石英中大致均匀分布.这两种形式同样可以用于制造谐振器,但是左右形式混合的材料,称为光学双晶材料,不能使用.另一方面,电孪晶材料都是同一只手,但包含电轴感相反的区域,从而降低了整体压电效应.这种材料也不适用于谐振器应用.天然石英晶体中孪晶和其他缺陷的存在是合适天然材料短缺的主要原因,并且在培养石英中不存在显着的孪晶构成其主要优点之一.当α-石英加热到573以上时天然石英晶体中孪晶和其他缺陷的存在是合适天然材料短缺的主要原因,并且在培养石英中不存在显着的孪晶构成其主要优点之一.当α-石英加热到573以上时天然石英晶体中孪晶和其他缺陷的存在是合适天然材料短缺的主要原因,并且在培养石英中不存在显着的孪晶构成其主要优点之一.当α-石英加热到573以上时°C,晶体形态变为β-石英,其具有六边形而不是三角形对称性.在通过573°C冷却后,材料恢复为α-石英,但通常会发现电气孪晶.出于同样的原因,施加大的热应力或机械应力会引起孪晶,因此在谐振器处理中必须避免任何这种热或机械冲击.
从生产它们的高压釜中取出后,通过研磨将培养的石英晶体转化成所谓的编号棒.这些是长矩形条,适合于随后切割成用于谐振器的晶片.编号条通常为6至8英寸长,但可用长度为约5至6英寸,因为靠近端部的材料不可用.可以种植更长的条,但这些条需要更长的种子,其成本随着长度的增加而迅速增加.编号条的高度通常约为宽度的两倍,因为通常从每个切片切割两个晶片.有许多标准尺寸的编号条,石英也可以种植和研磨到指定的尺寸.如我们的3225晶振,2520晶振等多种体积晶振.
4.石英晶体中的化学杂质
养殖和天然石英都含有可影响谐振器性能的化学杂质.化学杂质是与石英中的硅和氧形成化学键的化学杂质.铝,铁,氢和氟是典型的化学杂质.它们在培养石英中的含量远低于天然石英中常见的水平.然而,化学杂质不均匀地分布在培养的石英中.在+X,-X,Z区,和所谓的S区,偶尔形成,含有不同程度的化学杂质.两个z区域含有最少量的杂质.+x区域包含z区域的更多杂质,以及-x区域还有更多的杂质.s区域中通常较小的杂质密度介于z区域和+x区域之间.当宽种子用于培养,一个是故杆的z区域大,并且+x和-X区域是小的.当使用窄,更便宜的种子,在Z区域是较小的和+x和-X区域大.通常,化学杂质会导致谐振器性能下降,例如辐射硬度,缠绕敏感性,振荡器短期和长期稳定性以及滤波器损耗.

5.谐振器Q和晶体Q.
晶体谐振器的Q值是在一个周期内存储的能量与能量损失之比：

Qº2p周期/能源一个循环期间损失过程中的能量存储

该值很重要,因为它是驱动谐振器所需功率的量度.Q主要是谐振器工作的气氛,表面缺陷,机械连接以及由处理和安装谐振器产生的其他因素的函数.
石英编号条也被赋予Q值,但石英条的Q不是基于对存储的能量和能量损失的直接测量.相反,石英棒的Q是基于棒中杂质的品质因数.通过将红外光引导通过编号条的横截面切片中的z区域来测量培养石英中的化学杂质.测量两个特定波长(3,500nm和3,800nm)的透射率差异,并根据这些数据计算Q值.具有高Q的石英比具有低Q的那些含有更少的杂质,并且根据EIA标准477-1的“红外Q”测量通常被石英种植者和用户用作石英贴片晶振质量的指标.
谐振器的Q值通常与切割谐振器的石英棒的值不同.然而,当石英棒的Q低于临界水平时,谐振器的Q可能受到影响.培养石英的AQ值为180万或更高表明化学杂质在大多数应用中不会成为谐振器最终Q的一个因素.具有Q值的石英通常称为电子级(C级).优质石英的Q值为220万(B级),特殊溢价的Q值为300万(A级).重要的是要注意,培养石英的Q值仅基于z区域中的杂质.因此,即使晶体Q足以满足应用,谐振器Q和频率与-x或s区域材料.
仅含有z区材料的石英晶体晶片只能从相对昂贵的宽种子生长的条中成功切割.幸运的是,电极很少覆盖谐振器晶片的整个表面区域,并且包含在杂质+X,-x或S区不谐振器运行产生不利影响时,这些杂质材料谎言活性部分的外侧.因此,用于大多数应用的谐振器可以使用从相对便宜的窄种子生长的石英.
6.总结
压电石英晶体是由着名的居里夫妇于1880年发现的,曾经以高成本从粗糙的天然水晶中获得,现在通过生产特定尺寸和纯度的晶体的工艺人工种植.这种培养石英降低了成本并减小了对当今数字电路时序至关重要的谐振器尺寸.

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