國際知名品牌KYOCERA晶振（簡稱KSS晶振）,所有的生產(chǎn)線都具備順應(yīng)時代變化的速度感,通過融合集團(tuán)的獨(dú)特技術(shù),進(jìn)一步積極創(chuàng)造新產(chǎn)品、開拓新市場.為了回應(yīng)客戶的期待,京瓷晶體振蕩器,有源晶振,溫補(bǔ)晶振,石英晶振 ,壓控振蕩器,在價格、質(zhì)量、服務(wù)等所有方面都滲透“客戶第一”的理念,不斷為全球市場奉獻(xiàn)新價值.

 日本京都陶瓷晶振集團(tuán)是一家追求哲學(xué)的電子元器件制造商,所有企業(yè)社會責(zé)任活動都是立于哲學(xué)的基礎(chǔ)上,在節(jié)能與環(huán)保方面出了很大精力和資金.為表彰京瓷晶振公司做出努力和有效的結(jié)果,連續(xù)6年在日本環(huán)境部獲得全球暖化預(yù)防活動獎,使京瓷公司晶振產(chǎn)品的無鉛化更深入人心.由于受到政府的扶持,京瓷集團(tuán)旗下生產(chǎn)的石英晶振,陶瓷晶振,插件晶振,貼片晶振,有源晶振,溫補(bǔ)晶振,XO晶振等產(chǎn)品,迅速在全球范圍內(nèi)增加大批新客戶,持續(xù)全球化的影響力.

    石英晶體振蕩器是一種最普通的有源晶振,有SPXO也有XO系列,英文簡稱是OSC.日本京瓷集團(tuán)制造的晶體振蕩器,在很多生產(chǎn)廠家們的眼里,都是高端晶振的代表,最明顯的優(yōu)勢是封裝尺寸小,而且比較薄,重量輕,很適合現(xiàn)在的高級電子和智能電子產(chǎn)品使用.尤其是當(dāng)2016有源晶振出現(xiàn)后,更讓京瓷公司的名聲大振,帶來源源不斷的客戶,口碑更上一層樓.

京瓷晶振,NDK晶振,精工晶振,愛普生晶振,KDS晶振等都是日本在國內(nèi)使用比較多的品牌.億金電子滿足市場需求,代理日本進(jìn)口晶振,封裝尺寸繁多,全新原裝,價格優(yōu)勢.京瓷晶振具有體積小,精度穩(wěn)定,厚度薄等特點(diǎn),產(chǎn)品均采用IS09002質(zhì)量管理體系進(jìn)行生產(chǎn),符合歐美ROHS環(huán)保要求.

      Ecliptek日蝕晶振公司成立于1987年,是一家石英晶振晶體,貼片晶振頻率元件控制市場上公認(rèn)的領(lǐng)導(dǎo)者.日蝕晶振公司擁有先進(jìn)的產(chǎn)品和領(lǐng)先的技術(shù)使我們能夠?yàn)榭蛻籼峁┳詈玫氖⒕w,貼片晶振,石英水晶和有源晶振,石英晶體振蕩器,貼片振蕩器產(chǎn)品.

      美國日蝕晶振在行業(yè)也具備了一定的知名度,日蝕晶振公司擁有先進(jìn)的產(chǎn)品和領(lǐng)先的技術(shù)使我們能夠?yàn)榭蛻籼峁┳詈玫氖⒕w,貼片晶振,32.768K晶振和有源晶振,石英晶體振蕩器,貼片振蕩器產(chǎn)品.

      對于目前的市場上來說,小體積的產(chǎn)品才是主打產(chǎn)品,也是各領(lǐng)域中需求量較多的貼片晶振,小體積的產(chǎn)品具備更高的穩(wěn)定性和可靠性能,E4WSDC12-32.768K晶振、E8WSDC12-32.768K晶振等以上表格所有產(chǎn)品,均為目前市場上最小體積的32.768K晶振,該系列產(chǎn)品體積小型,厚度薄,重量輕,均符合歐盟ROHS標(biāo)準(zhǔn),滿足無鉛高溫回流焊接曲線要求.32.768K時鐘晶振主要使用于時鐘產(chǎn)品等領(lǐng)域,其他產(chǎn)品看是否匹配.

IDT集團(tuán)旗下的有源晶振產(chǎn)品數(shù)量和種類非常之多,尤其是3225晶振,2520晶振之類的常規(guī)封裝尺寸,例如型號是4HF晶振這顆料,年產(chǎn)量至少在7000萬顆以上,出口到五十多個不同的國家和地區(qū).每一款晶振型號后面還有很多規(guī)格,挑選合適的參數(shù)才能使自己的產(chǎn)品發(fā)揮出最好的作用,反之有可能會引起不起振,誤差大等不良效果.為避免發(fā)生這種尷尬的局面,億金電子特意收集了IDT石英晶體振蕩器4HF晶振6腳4HF050000Z3AACXGI晶振編碼對照表,其中頻率包括50MHZ,100MHZ,106.25MHZ三種頻率,頻率穩(wěn)定度均在±50ppm范圍,更多相關(guān)參數(shù)信息歡迎查看億金技術(shù)支持.

來自美國加州圣何塞市的IDT晶振公司是近年來比較成功打開中國市場的歐美進(jìn)口晶振品牌,享有崇高的國際地位,在歐洲,南美和北美洲地帶晶體振蕩器產(chǎn)品銷量非常火爆.專注于高端有源晶振的創(chuàng)新發(fā)展和實(shí)際應(yīng)用,是一家專業(yè)為高級科技智能產(chǎn)品提供頻率元件解決方案的生產(chǎn)制造商,所有的石英晶體振蕩器,壓控晶振,差分晶振都是依據(jù)世界環(huán)保概念和質(zhì)量認(rèn)證生產(chǎn).

石英晶體的彈性常數(shù)

通過上節(jié)討論,我們已經(jīng)知道石英晶體的彈性常數(shù)矩陣為：

晶體的彈性常數(shù)反映晶體的彈性性質(zhì)。從這些彈性常數(shù)矩陣看出,用雙足標(biāo)表示的彈性常數(shù)共有36個分量。三斜晶系是完全各向異性體,對稱性最低,36個不等于零的彈性常數(shù)分量中,獨(dú)立的分量有21個。而石英晶體諧振器,石英晶體的獨(dú)立彈性常數(shù)分量為6個。

當(dāng)彈性常數(shù)s和c，的足標(biāo)i，=1，2，3時，它分別表示沿x，y，z方向的彈性伸縮性質(zhì)；當(dāng)i，j4，5，6時，它分別表示沿x，y，z平面的切變性質(zhì)；當(dāng)i≠j它分別表示兩種伸縮之間或兩種切變之間，以及伸縮與切變之間的彈性耦合性質(zhì)。這種彈性常數(shù)又稱為交叉彈性常數(shù)，現(xiàn)在以石英貼片晶振,石英晶體的彈性柔順常數(shù)為例，進(jìn)一步說明如下：

（1）與石英晶體伸縮性質(zhì)有關(guān)的彈性柔順常數(shù)為s11，s22(=s11），s33。

（2）與石英晶體伸縮之間耦合性質(zhì)有關(guān)的交叉彈性柔順常數(shù)為：s12，s13，S2（=S13）。

（3）與石英晶體切變性質(zhì)有關(guān)的彈性柔順常數(shù)為s44=s55，s55)，s66.

（4）與石英晶體切變之間耦合性質(zhì)有關(guān)的交叉彈性柔順常數(shù)為：s56(=2S14).

（5）與石英晶振晶體伸縮和切變之間耦合性質(zhì)有關(guān)的交叉彈性柔順常數(shù)為：s14，524（=-S14)。

石英晶體的原子面符號

石英晶體和非晶體本質(zhì)差別在于它們的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否存在周期性。為了描述晶體結(jié)構(gòu)的周期性,用空間點(diǎn)陣來模擬晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)。通過點(diǎn)陣的“點(diǎn)子”作三組向不同的平行線,就構(gòu)成了空間格子,稱為“晶格”,如圖1.2.1。

圖1.2.1晶格示意圖

整個空間格子是由一個單元重復(fù)排列的結(jié)果,這個重復(fù)單元就稱為“晶胞”。晶胞是石英晶體結(jié)構(gòu)的基本單元,晶胞的形狀和大小由晶胞參數(shù)(晶胞的幾個邊長和這幾個邊長之間的夾角)來決定。晶胞的選擇不是唯一的,除反映晶體內(nèi)部的周期性外,還要反映晶體的外部對稱性。

石英晶體的晶胞是選擇如圖1.2.2所示的六角晶胞,其晶胞參數(shù)為c=b=d4.9404A;c=5.394A;a=B=90°;y=120°

圖1.2.2六角晶胞示意圖

在晶體點(diǎn)陣中,通過任一點(diǎn)子,可以作全同的原子面和一原子面平行,構(gòu)成一族平行原子面。這樣一族原子面包含了所有點(diǎn)子,它們不僅平行而且等距,各原子面上點(diǎn)子分布情況相同。晶體中有無限多族平行原子面。不同族原子面在石英晶振晶體中的方位不同,原子面的間距不同,原子在原子面上的分布不同,相應(yīng)的物理性質(zhì)也不同。因此,我們用原子面指數(shù)來表示該族原子面的方位,代表該族原子面。為了表明各個原子面,一般采用原子面指數(shù)(hk)表示,只有三角晶系和六角晶系才采用原子面指數(shù)(hki1)表示,現(xiàn)分別介紹如下。

一、一般晶系原子面指數(shù)表示法

從幾何學(xué)中知道要描述一個平面的方位,就要選一個坐標(biāo)系,然后標(biāo)出這個平面在此坐標(biāo)軸上的截距,或標(biāo)出這個平面的法線在此坐標(biāo)系中的方向余弦,描述原子面的方位也是如此。選某一原子(或離子、分子)的重心為坐標(biāo)原點(diǎn),以晶胞的三個邊a、b、c(即晶軸)為坐標(biāo)系,但應(yīng)注意：

(1)由貼片晶振晶軸組成的坐標(biāo)系不一定是直角坐標(biāo)系

(2)晶軸上的長度單位分別為晶格常數(shù)a、b、c,所以截距的數(shù)值是相應(yīng)晶格常數(shù)的倍數(shù)。

例如M1、M2、M3原子面與三個晶軸分別交于M1、M2、M3點(diǎn),如圖1.2.3所示,三個截距為

圖1.2.3(236)原子面

知道了原子面在坐標(biāo)中的截距,就等于知道原子面在晶體中的方位,所以也可用截距p、q、r來標(biāo)志原子面,但由于原子面與某晶軸平行時相應(yīng)的截距為無限大,為了避免出現(xiàn)無限大,改用截距倒數(shù)的互質(zhì)比。

來標(biāo)記原子面,為了簡化常略去比例記號,采用(hk)表示,(hk)就稱為原子面指數(shù)(或晶面指數(shù)、密勒指數(shù)),例如圖1.2.3中原子面指數(shù)為(2,3,6)即：

有時也稱MM2M3平面為(2,3,6)原子面,圖1.2.4中標(biāo)出了一些簡單的原子面指數(shù),因?yàn)?b>有源晶振,石英晶振晶軸有正向、負(fù)向之分,所以原子面指數(shù)也有正、負(fù)之分,通常將負(fù)號寫在指數(shù)的上面,例如(010)原子面,就表示原子面與a軸、c軸平行,與b軸的截距為-b。

圖1.24一些簡單的原子面指數(shù)

六角晶系和三角晶系原子面指數(shù)表示法上述原子面表示法可用于全部晶系,具有普遍性,但在六角晶系中采用四個晶軸的坐標(biāo)系比較方便,四個晶軸中的a、b、d、軸在同一平面上,互成120°0,夾角,c軸則與此平面垂直。原子面指數(shù)(hk1)中h、k、i、l則分別對應(yīng)于a、b、d、c軸截距倒數(shù)的互質(zhì)比。例如,某原子面與四個晶軸分別交于M1M2M3M4點(diǎn),如圖1.2.5所示四個截距為

OM2=pa=4a

OM2=qb=4b

OM3=rc=2c

OM4=td=-2d

圖1.2.5(1122)原子面

這些截距倒數(shù)的互質(zhì)比為

可見圖M1M2M3M4面的原子面指數(shù)為 (1122)。

圖12.2表示六角晶胞的原子面指數(shù),圖1.2.5表示右旋石英晶振,石英晶體的部分原子面指數(shù),從這些的原子面指數(shù)中可以看出:

(1)存在這樣的規(guī)律,即h+k+i=0。這就是說,在h,k,i中,只要知道其中兩個即可確定第三個,利用這種關(guān)系,有的資料中把原子面指數(shù)(h k i l)簡寫為(h k l)。

(2)通過(hkiD)原子面的前三個指數(shù)h,k,i全部排列,可得六個原子面,這六個原子面與z軸平行,X射線的反射角(即掠射角) θ相同。其物理性質(zhì)也相同。如(1010)原子面,將前三個指數(shù)全部排列,即得六個原子面為(1010),(1100),(0110),(100),(0110),(1010)這就是石英晶體的六個m面。

(3)通過對(hki1)原子面的三個指數(shù)h,k,l全排列,以及將第四個指數(shù)l(l0)變號后再排序,可得十二個原子面,根據(jù)晶體的對稱性發(fā)現(xiàn)這十個原子面可分為二組,每組六個原子面,同一組原子面的性質(zhì)完全相同例如:(1011)原子面,將前三個的指數(shù)全排列,即得六個原子面為(101i),(1101),(0111),(1101),(011),(1011)將第四個指數(shù)變號后,再全排列,又得六個原子面為(1011),(101),(011),(1101),(0111),(1011)將這十二個原子面分成兩組,前三個和后三個原子面為一組,中間六個原子

面為一組,即:

甲組:(1011),(1101),(0111),(1101),(0111),(1011)

乙組:(1101),(011),(1011),(1011),(1101),(01)

將這些結(jié)果與圖1.2.6比較,即可看出,甲組原子面就是石英晶體中的六的R面,乙組原子面就是石英晶體中的六個r面

(a)右旋石英晶體(b)上部R面和r面(c)下部R面和r面

圖1.2.6右旋石英晶體的原子面指數(shù)

石英晶體的彈性性質(zhì)

在外力作用下,物體的大小和形狀都要發(fā)生變化,通常稱之為形變。如果外力撤消后,物體能恢復(fù)原狀,則這種性質(zhì)稱為物體的彈性;如果外力撤消后,物體不能恢復(fù)原狀,則這種性質(zhì)就稱為物體的塑性。自然界既不存在完全彈性的物體,也不存在完全塑性的物體。對于任何物體,當(dāng)外力小時,形變也小,外力撤消后,物體可完全復(fù)原;當(dāng)外力大時,形變也大。若外力過大,形變超過一定限度,物體就不會復(fù)原了。這就說明,物體有一定的彈性限度,超過這個限度就變成塑性。與壓電有關(guān)的問題,都屬于彈性限度范圍內(nèi)的問題。因此,這里僅討論物體的彈性性質(zhì)。

一、應(yīng)力

選兩根長度相等,粗細(xì)不同的橡皮繩,當(dāng)這兩根橡皮繩受到相同的拉力作用時,顯然,細(xì)橡皮繩比粗橡皮繩拉得長一些。為什么在相同的外力作用下,它們的伸長量不一樣呢?這是因?yàn)閮筛鹌だK的粗細(xì)不一樣,也就是橫截面的大小不樣。由此可見,在拉力的作用下,物體的伸長量不僅與力的大小有關(guān),而且還與物體的橫截面的大小有關(guān)。為了計(jì)入橫截面大小的影響,引入單位面積的作用力(即應(yīng)力)這個概念,它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

式中,T為應(yīng)力,F為作用力,A為橫截面(即力的作用面積)。通常規(guī)定作用力為拉力時,T>0,作用力為壓力時,T<0。

二、應(yīng)變

選擇兩根長度不等,但粗細(xì)相同的橡皮繩,當(dāng)這兩根橡皮繩受到相同的拉力作用時,它們的應(yīng)力相同,而伸長量不同,即長橡皮繩比短橡皮繩拉得長一些。由此可見,物體的伸長量不僅與應(yīng)力有關(guān),而且還與原來的長度有關(guān)。為了計(jì)入長度的影響,引入單位長度的伸長量(即應(yīng)變)這個概念。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為

                              (2.2.2)

式中,S為應(yīng)變,l為原長,△l為伸長量,△l為單位長度的伸長量(或相對伸長量)。

三、正應(yīng)力與正應(yīng)變

如圖2.2.1(a)所示的小方片,當(dāng)它受到x方向的應(yīng)力作用時,除在x方向產(chǎn)生伸長外,同時在y方向也產(chǎn)生收縮,如圖2.2.1(b)所示。同樣,當(dāng)小方片受到y方向的應(yīng)力作用時,除了在y方向產(chǎn)生伸長外,同時在x方向也產(chǎn)生收縮

如圖2.2.1(c)所示。上述

 (a)未受力情況(b)沿x方向受力時的形變情況(c)沿y方向受力時的形變情況

圖2.2.1小方片應(yīng)力、應(yīng)變示意圖

沿x方向應(yīng)力和y方向應(yīng)力的特點(diǎn)是,力的方向與作用面垂直(或力的方向與作用面的法線方向平行)。為了反應(yīng)這兩個方向在應(yīng)力符號上要附加兩個足標(biāo),例如Tx和Ty。應(yīng)力的第一個足標(biāo)表示力的方向,第二個足標(biāo)表示作用面的法線方向。同理,應(yīng)變也有兩個足標(biāo),例如Sx和Sy應(yīng)變的第一個足標(biāo)表示原長度的方向,第二個足標(biāo)表示伸長量的方向,Tx、Ty又稱正應(yīng)力(或伸縮應(yīng)力),Sx、Sy又稱為正應(yīng)變(或伸縮應(yīng)變)為了簡便,通常將足標(biāo)中的(x,y,z)用(1,2,3)表示,而且將雙足標(biāo)簡化為單足標(biāo),雙足標(biāo)與單足標(biāo)的關(guān)系如表2.2.1所示。

四、切應(yīng)力與切應(yīng)變

形變前為一正方形的薄片,在形變后變?yōu)榱庑?/span>,這樣的形變稱為石英晶振晶體的切變,如圖22.2所示。從圖中看出,切變的特點(diǎn)是形變前、后四個邊之間的夾角發(fā)生了變化,一個對角線被拉長,另一個對角線被壓縮。而且角度6xy和eyx的變化越大,切變越大。因此切應(yīng)變與這兩個角度之間的關(guān)系為：

顯然,S6這種切應(yīng)變,在如圖2.2.3所示的兩對應(yīng)力(Tyx,Tyx和Txy,Tyx)的作用下產(chǎn)生的,而這兩對應(yīng)力稱為切應(yīng)力。石英晶振,有源晶振,石英晶體諧振器等壓電水晶元件切應(yīng)力的特點(diǎn)是:力的方向與作用面平行,它可以使物體產(chǎn)生切變,而不能使物體產(chǎn)生轉(zhuǎn)動,故有:

Tyx= Txy = T21 = T12 =T6

五、應(yīng)力張量和應(yīng)變張量

由于應(yīng)力不僅與作用力的方向有關(guān),而且還與作用面的法線方向有關(guān),所以,在三維情況下,應(yīng)力分量有9個,如圖224所示。其中,正應(yīng)力為:

這就是說,應(yīng)力張量只有6個獨(dú)立分量,為了運(yùn)算方便,在晶體物理中常將應(yīng)力張量寫成一列矩陣,即:

與應(yīng)力張量的情況相同,應(yīng)變張量也只有6個獨(dú)立分量。在晶體物理中常將應(yīng)變張量寫成一列矩陣,即：

式中S1、S2、S3分別表示沿x、y、z方向的正應(yīng)變;S4、S5、S6分別表示沿x、y、z平面的切應(yīng)變。

六、應(yīng)變分量與位移分量之間的關(guān)系

設(shè)u、v、w分別表示沿x、y、z方向的位移分量,則應(yīng)變分量與位移分量之間的關(guān)系為:

在石英晶振桿上選一小段AB,如圖22.5(a)所示,若A端的位置坐標(biāo)為x,B端的位置坐標(biāo)為x+dx,則AB小段的原長為:

x+dx-r=dx

在外力作用下,若A端的位移為u,B端的位移為u+dh,則AB兩端的相對位移為

u+du-u=du

當(dāng)da=0時,它表示AB兩端的位移相等,即原長不變。當(dāng)dh≠0時,它表示AB兩端的位移不等,即AB段的長度發(fā)生了變化,而dh就是等于它沿x方向的伸長量。根據(jù)正應(yīng)變的定義:沿x方向的正應(yīng)變S1等于x方向的伸長量與x方向上的原長之比,即得到     S1=正應(yīng)變S2和S3與S1的情況類似。

再以切應(yīng)變S6為例。根據(jù)切應(yīng)變的定義:

切應(yīng)變S4和S5與S6的情況類似。

七、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系一彈性定律

實(shí)驗(yàn)上發(fā)現(xiàn),在彈性限度范圍內(nèi),有源晶振,石英晶體振蕩器應(yīng)力大時,應(yīng)變也大;應(yīng)力小時,應(yīng)變也小。人們根據(jù)長期的生產(chǎn)實(shí)踐,總結(jié)了這個規(guī)律,稱為彈性定律或廣義胡克定律,即“在彈性限度范圍內(nèi),物體內(nèi)任意一點(diǎn)的應(yīng)變分量與該點(diǎn)應(yīng)力分量之間存在線性關(guān)系”。對于完全各向異性體(如三斜晶系),彈性定律的數(shù)學(xué)表示式為:

式中系數(shù)S稱為彈性柔順常數(shù),并有Sij=Sji(i≠j),由式(2.2.8)可以看出不僅正應(yīng)力能產(chǎn)生正應(yīng)變,而且切應(yīng)力也能產(chǎn)生正應(yīng)變;同樣,不僅切應(yīng)力能產(chǎn)生切應(yīng)變,而且正應(yīng)力也能產(chǎn)生切應(yīng)變。這就是說,在一般情況下,應(yīng)變與應(yīng)力之間的關(guān)系是比較復(fù)雜的。

石英晶體無論是天然的還是人造的,都不同程度地存在一些疵病(缺陷)。它們不僅是由于在石英晶體生長過程中受到種種條件的影響而產(chǎn)生,就是在已形成的晶體中和生長完成后,外界條件的變化(主要是溫度)產(chǎn)生的缺陷。這些缺陷會影響其可用程度和石英晶體元件的性能,以下簡要介紹幾種常見的缺陷。

一、雙晶

雙晶是指兩個以上的同種晶體,按一定規(guī)律相互連生在一起。即在同塊晶體中,同時存在兩個方位不同的左旋部分(或右旋部分)。其中一部分繞Z軸轉(zhuǎn)180°后方與另一部分連生在一起,這兩部分的z軸彼此平行,所以兩部分的光學(xué)性能相同,而電軸兩部分相差180°,故它們的極性相反(見圖1.4.1)。

光雙晶是異旋晶體的連生,即在一塊貼片晶振晶體中,同時存在左旋和右旋兩個部分,它們連生在一起,左旋和右旋的光軸彼此平行,但旋光性相反,此外電軸極性也相反(見圖1.4.2)。

(a)左旋石英晶體的極性;(b)繞光軸轉(zhuǎn)180°°后左旋石英晶體的極性C)電雙晶的極性;

圖1.4.1電雙晶極性示意圖

(a)左旋石英晶體的極性;(b)右旋石英晶體的極性;(c)光雙晶的極性;

圖1.4.2光雙晶極性示意圖

電雙晶又稱道芬雙晶;光雙晶又稱巴西雙晶。雙晶的邊界可用氫氟酸腐蝕顯示出來(見圖1.4.3)。

雙晶多出現(xiàn)在天然石英晶體中,但在石英晶體諧振器晶片加工中也會誘發(fā)出雙晶。例如：石英晶片加熱溫度超過573℃,或雖然不超過573°C,但石英片內(nèi)部溫度梯度太大,都可能產(chǎn)生電雙晶;又如:晶片研磨時,由于機(jī)械應(yīng)力的作用,可能產(chǎn)生微小的道芬雙晶。

(a)電雙晶腐蝕圖像(b)光雙晶腐蝕圖像

圖1.4.3電雙晶、光雙晶在z平面上的腐蝕圖像

在壓電石英晶體元件中,一般不允許含有雙晶,若要利用含有雙晶的石英晶片時,則對雙晶的位置和比例要嚴(yán)加限制,因此在石英晶片加工中,要力求避免雙晶的出現(xiàn)

二、包裹體

石英晶體中往往含有固體、膠體和氣—一液體三種包裹體。

固體包裹體是混雜在晶體內(nèi)部的其它礦物質(zhì),天然石英晶振,石英晶體中固體包裹體大部分是圍巖碎屑和黃鐵礦、金紅石等。人造石英晶體的固體包裹體主要是硅酸鐵鈉( NaFesi2O6.2H2O),它是由高壓釜內(nèi)壁被腐蝕脫落的亞鐵離子和其它離子,與NaOH或Na2CO3溶液和SiO2等產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)而形成的。

膠體包裹體是含鉀(K)、鈉(Na)硅酸鹽膠體所組成。它是由于石英晶體生長過程中,溫度發(fā)生波動時溶液中的二氧化碳達(dá)到超飽和狀態(tài),來不及結(jié)晶而形成膠體包裹體。

氣一液包裹體中的液體主要是水溶液、碳酸和其它混合液,氣體是二氧化碳及揮發(fā)性化合物等,氣一液包裹體多集中在晶體底部包裹體是石英晶體的一種主要缺陷,實(shí)驗(yàn)表明,如果晶片中含有大的針狀包裹體時,對石英晶體元件的電性能影響很大。

石英晶體的包裹體可用顯微鏡觀察法或油槽觀察法等進(jìn)行檢查

三、藍(lán)針

石英晶體中藍(lán)色針狀的缺陷稱為藍(lán)針。

藍(lán)針形成的原因很多,有人認(rèn)為藍(lán)針內(nèi)部包含有鐵、錳、銅、鋅等金屬氧化物,在這些氧化物外部還有密集的小氣泡或小水珠,當(dāng)光線通過它們時,除藍(lán)色光線外,其它光都被吸收掉,因此在晶體內(nèi)部呈現(xiàn)藍(lán)色針狀缺陷。還有人研究發(fā)現(xiàn),存在藍(lán)針的地方有很細(xì)的裂縫,它與晶體原有宏觀裂隙平行生長,說明藍(lán)針是屬于晶體內(nèi)部機(jī)械破壞的結(jié)果。

對一般應(yīng)用的壓電石英水晶振蕩子,石英晶振,貼片晶振晶片可以存在藍(lán)針,但用于制造穩(wěn)定度高的和頻率比較高的石英晶體元件時,不允許其石英晶片有藍(lán)針存在。

四、其它疵病

在一些晶體中,可隱隱看出數(shù)個晶體的影子,這叫幻影或稱魔幻。它是由于晶體生長中斷了一段時間,后來又在晶面上繼續(xù)結(jié)晶而形成的?；糜捌茐牧司w格架的完整性,影響晶體的彈性,屬晶體內(nèi)部深處的缺陷。

裂隙是存在于晶體內(nèi)部的小裂縫。它的形成可能是由于生長區(qū)中二氧化硅供應(yīng)不足,雜質(zhì)分布不均勻,籽晶不完善,機(jī)械應(yīng)力和溫度變化不均勻等緣故節(jié)瘤是由許多小晶塊構(gòu)成的鑲嵌結(jié)構(gòu),其形狀像是很小的晶體鑲嵌到大晶體的表面。這種鑲嵌結(jié)構(gòu)是受溫度、壓力、溶液飽和程度和混合物數(shù)量等生長條件影響而形成.

石英晶體振蕩器,有源晶振,石英晶振晶體內(nèi)部某處有集中的許多微小氣泡和小裂隙,呈現(xiàn)白色如棉花狀,這種缺陷俗稱為棉。

   石英晶體俗稱水晶,成份是SiO2,它不但是較好的光學(xué)材料,而且是重要的壓電材料。在常壓下不同溫度時,石英晶振晶體的結(jié)構(gòu)是不同的。溫度低于573℃時,是a石英晶體;溫度在573℃~870℃時,是B石英晶體;溫度在870℃~1470℃時,是磷石英,溫度達(dá)1470℃時,就轉(zhuǎn)變成方石英,它的熔點(diǎn)是1750℃。用于制造壓電晶體元件的為a石英晶體

石英晶體的結(jié)晶形態(tài)和坐標(biāo)系

      固體可以分為結(jié)晶體(晶體)與非結(jié)晶體(非晶體)兩大類。晶體中有外形高度對稱的單晶體(如石英晶體)和由許多微細(xì)晶體組成的多晶體(如各種金屬)。晶體的主要特性是原子和分子的有規(guī)則排列,這種排列反映在宏觀上是外形的對稱性,而非晶體就不具備這種特性,例如石英玻璃,它的成份與貼片石英晶振石英晶體一樣是SiO2,但不屬于晶體。

晶體可以是天然的,也可以由人工培養(yǎng)。晶態(tài)物質(zhì)在適當(dāng)條件下,能自發(fā)地發(fā)展成為一個凸多面體形的單晶體。圍成這樣一個多面體的面稱為晶面;晶面的交線稱為晶棱;晶棱的會集點(diǎn)稱為頂點(diǎn)。發(fā)育良好的單晶體,外形上最顯著的特征是晶面有規(guī)則的配置,屬于同一品種的晶體,兩個對應(yīng)晶面(或晶棱)間的夾角恒定不變。圖1.1.1給出了理想石英晶體的外形。

石英晶體的晶面共30個,分為五組,六個m面(柱面),六個R面(大棱面),六個r面(小棱面)六個s面(三方雙錐面),六個x面(三方偏方面),相鄰m面的夾角為60°相鄰m面和R面的夾角與相鄰m面和r面的夾角都等于38°13,相鄰s面與x面的夾角等于25°57。由于外界條件能使某一個或某一組晶面相對地變小或完全隱沒,所以實(shí)際見到的石英晶體很少如圖1.1.1所示,就是人造石英晶體的外形也只是接近理想情況。

(a)右旋石英晶體 (b)左旋石英晶體

圖1.1.1石英晶體的理想外形

晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的規(guī)律性,造成了它在外形上的對稱性。例如:晶體可以有對稱軸、對稱中心、對稱面等對稱元素。石英晶體存在一個三次對稱軸(或三次軸即晶體繞該軸旋360°3后能夠復(fù)原)和三個互成120°的二次軸,如圖1.1.2中的a、b、d軸

圖1.1.2石英晶體的對稱軸和直角坐標(biāo)系

在結(jié)晶學(xué)中,晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以概括為是由一些“點(diǎn)子”在空間有規(guī)則地作周期的無限分布:“點(diǎn)子”代表原子、離子、分子或其集團(tuán)的重心。這些“點(diǎn)子”的總體稱為點(diǎn)陣,構(gòu)成石英晶體的是二氧化硅分子,而二氧化硅分子的重心又正好與硅離子重合,因此硅離子的點(diǎn)陣就可以反映出石英晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。石英晶體振蕩器,石英晶體的各層硅離子若按右手螺旋規(guī)則分布,則稱為右旋石英晶體;若按左手螺旋規(guī)則分布,稱為左旋石英晶體。從外形上看,右旋石英晶體的s面在R面的右下方或m面的左上方,左旋石英晶體的s面在R面的左下方或m面的右上方(見圖1.1.1),它們互為鏡象對稱。

晶體物理性質(zhì)的各向異性和晶體外形的對稱性有關(guān),因此討論石英貼片晶振,石英晶體的物理性質(zhì)時,采用為圖1.1.2所示的直角坐標(biāo)系較為方便。選c軸為z軸,a(或b、d)軸為x軸,與x軸、z軸垂直的軸為y軸。其指向按1949年IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對左、右旋石英晶體均采用右手直角坐標(biāo)系。

石英晶體的密度為265g/cm3,莫氏硬度為7,透明晶瑩。在常溫常壓下,石英晶體不溶于水和三酸(鹽酸HCl、硫酸H2SO4、硝酸HNO3)屬于溶解度極小的物質(zhì)。但在高溫高壓下,再加入適量助溶劑,如碳酸鈉(Na2CO3)或氫氧化鈉(NaOH)等,就可大大提高其溶解度。這個特點(diǎn)被用于石英晶體的人工培育。

氫氟酸(HF)、氟化銨(NH4F)與氟化氫銨(NH4HF2)是石英貼片晶振,石英晶體良好的溶解液,這在石英晶片加工中是很有用的。石英晶體是一種良好的絕熱材料,導(dǎo)熱系數(shù)比較小(見表1.3.1)

表1.3.1石英晶體的導(dǎo)熱系數(shù)

室溫附近,沿z軸方向的導(dǎo)熱系數(shù)是沿垂直于z軸方向?qū)嵯禂?shù)的二倍左右與z軸成q角的任一方向的導(dǎo)熱系數(shù)可由下式求得(1.3.1)Kφ=K3cos²φ+K1sin²φ,其中K1是垂直于Z軸的導(dǎo)熱系數(shù),K3是平行于z軸的導(dǎo)熱系數(shù)石英晶體的膨脹系數(shù)也很小,且沿z軸方向的線膨脹系數(shù)a3約為沿垂直于z軸方向線膨脹系數(shù)a1的1/2(見表1.3.2)。

表1.3.2石英晶體的線膨脹系數(shù)值

若已知a1和a3,由下式可求出與Z軸成φ角的任一方向的線膨脹系數(shù)aL：al=a3+(a1-a3)sin²φ (1.32)

在室溫附近:aL=(7.48+623sin²φ)×10-6 (1.33)

并可由a1和a3求得體膨脹系數(shù)ar：ar=2a1+a3 (1.3.4)

由于石英晶體的熱膨脹系數(shù)較小,因此可用于精密儀器中。但當(dāng)它被加熱時, 體膨脹系數(shù)會發(fā)生很大變化。在溫度達(dá)573℃時,石英晶體由a石英晶體轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>B石英,體積急劇增大。石英晶體諧振器內(nèi)部產(chǎn)生的較強(qiáng)的機(jī)械應(yīng)力可能會造成裂隙和雙晶,這是在石英晶體元件的加工中要注意避免的。

石英晶體還是一種良好的絕緣體,其電阻率可由下式求得：p=Be-AT;式中,p為電阻率,T為絕對溫度,e為自然對數(shù)的底,A等于1.15×104B為相應(yīng)的常數(shù)。平行于z軸方向的B=3000,垂直于z軸方向的B為平行于z軸方向的1/80。B值除與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)外,還與沿z軸方向孔道中堿金屬雜質(zhì)(K+、Na+)的存在有關(guān)。表1.3.3列出了晶振,有源晶振,石英晶體振蕩器,石英晶體在不同溫度下的電阻率,單位為ohm. cn。

表1.3.3石英晶體在不同溫度下的p(ohm.cm)

石英晶體介電常數(shù)(描述材料介電性質(zhì)的量,是電位移D與電場強(qiáng)度E的一個比例系數(shù))的各向異性不很明顯,平行于z軸的介電常數(shù)ε3=4.6,垂直于z軸的介電常數(shù)ε1=4.5。在電場作用下,電介質(zhì)發(fā)熱而消耗的能量叫介質(zhì)損耗,通常以損耗角的正切值(tg6)來表示其損耗的大小。有源晶體振蕩器,比如溫補(bǔ)晶振,壓控晶振,有源石英晶體的介質(zhì)損耗較小,tg6<2×10-4因此用它作電氣材料具有高穩(wěn)定性。

石英晶體雖不像諸如彈簧、橡皮筋那樣的物體,振動日時能看到明顯地形變,但是它仍然服從彈性定律(胡克定律),并且可以通過全息照相看到它形變的情況。當(dāng)然,石英晶體的形變更復(fù)雜些,描述更困難些,這將在第二章中進(jìn)一步講述。

某些電介質(zhì)由于外界的機(jī)械作用(如壓縮、拉伸等)而在其內(nèi)部發(fā)生變化產(chǎn)生表面電荷,這種現(xiàn)象叫壓電效應(yīng)。具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)也存在逆壓電效應(yīng),即如果將具有壓電效應(yīng)的介質(zhì)置于外電場中,由于電場的作用,會引起介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移,而這位移又導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)生形變,這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。

正像某些其它晶體(如酒石酸鉀鈉KNaC4H4O6.4H2O、鈦酸鋇 BaTio3等等)那樣,貼片有源晶振,石英晶體也具有壓電效應(yīng)。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,不是任何方向都存在壓電效應(yīng)的,只有在某些方向,某些力的作用下才產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

例如:當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的力作用時,在x方向產(chǎn)生壓電效應(yīng),而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng),當(dāng)石英晶體受到沿y軸方向的力作用時,在x方向產(chǎn)生壓電效應(yīng),而y、z方向也不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。若受到沿z軸方向的力作用時,是不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。因此又稱x軸為電軸,y軸為機(jī)械軸。利用石英晶體的壓電效應(yīng)可制造多種高穩(wěn)定性的頻率選擇和控制元件,這將在以后各章逐步講述。

石英晶體也與其它一些物質(zhì)(如方解石CaCO3、硝酸鈉NaNO3晶體等)那樣具有雙折射現(xiàn)象,即一束光射入石英晶體時,分裂成兩束沿不同方向傳拓的光其中一束光遵循折射定律,叫做尋常光或稱“0”光,另一束光不遵循折射定律,叫做非尋常光,又稱“e”光,如圖1.3.1所示,尋常光在石英晶體內(nèi)部各個方向上的折射率mo是相等的,而非尋常光在石英晶振,石英晶體的內(nèi)部各個方向的折射率n0卻是不相等的。

例如:對于波長為5893A的光,石英晶體的n0=1.54425,最大的ne=1.5536。石英晶體雖然具有雙折射現(xiàn)象,但當(dāng)光沿z軸方向入射時,不發(fā)生雙折射現(xiàn)象,所以又稱z軸為光軸石英晶體還具有旋光性。即平面偏振光(光振動限于某一固定方向的光)沿z軸方向通過石英晶體后,仍然是平面偏振光,但其振動面卻較之原振動面旋轉(zhuǎn)了一個角度。

圖1.3.1石英晶體的雙折射

石英晶體的光學(xué)性質(zhì)被應(yīng)用到制造各種光學(xué)儀器和石英片加工工藝中。

從六十年代起開展了石英晶體,SMD晶振元件輻射效應(yīng)的研究工作,在此做一些簡單的介紹。

由于宇宙射線的輻照和核武器爆炸,地球周圍存在高能粒子和y射線、X射線等輻射。這些輻射對石英晶體及其器件都有很大的影響,無色透明的石英晶體經(jīng)放射線照射后會變?yōu)闊熒?/span>,石英晶體元件被輻照后,會使頻率發(fā)生變化,穩(wěn)定性下降,等效電阻升高。

一般認(rèn)為,石英晶體被γ射線和高能粒子轟擊后,會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)空穴和色心,這是由于堿金屬離子(A1+3和Na+)的存在所引起的。因此,要提高石英晶體抗輻射的能力,首先要減少和消除有源恒溫晶振,差分晶振,石英晶體中的上述雜質(zhì)。

一方面選擇最佳籽晶和生長條件;另一方面可使用“電清除”的方法驅(qū)逐晶體中的雜質(zhì)。有人做過這樣的實(shí)驗(yàn):用z向厚度為1cm的樣片,加溫到450~470℃,加電壓1500-1700V/cm,通過晶體的電流為250μA,20分鐘后則降為20μA,這時在負(fù)極表面出現(xiàn)由堿金屬雜質(zhì)形成的乳白色薄層。顯然,這是一種高溫、高壓排除晶體中金屬離子等雜質(zhì)的工藝過程。經(jīng)過這種“電清除”的人造石英晶體制成的石英晶體元件就具有良好的抗輻射性能。