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講座版石英晶体谐振器基础知识培训教材2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轴的正端面出现正电荷（晶体的剪切振动就是按此激起的）。图1-1晶体加外力示意图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=k1x﹎﹍(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β石英磷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：2.649克/立方百米；⑵、折射率:1.553(或1.5574),有旋光性；++++++++++++石英晶体谐振器基础知识培训教材3⑶、声速:V=E/eE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=77.10×10(0℃时)垂直于光轴X=15.24×10(0℃时)；⑸、绝缘性能:平行于光轴R=1×10欧姆.厘米垂直于光轴R=2×10欧姆.厘米；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，但石英晶体在氢氟酸和水玻璃中能够溶解，因此，在加工过程中我们常用氢氟酸（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+2H203SiF4+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。由于石英晶体的硬度较高，帮通常采用高于它的硬度的磨料来研磨和切削。常用磨料见下表：磨料名称硬度特征碳化硼（BC）10绿色天然金刚砂（C）10效率高寿命长天然金刚砂（AL203）7-9常用天然白刚玉（AL203）9破坏层大人造白刚玉（AL203）9白色人造碳化硅（SiC）9.5～9.75浅绿或灰色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,巴西双晶;而两光轴成一定的角度而共生的有日本双晶等.(2)兰针:在晶体中呈现兰色的针状物,(当光线通过晶体除兰色光外,其余的光线被吸收),称兰针.(3)节瘤:在晶体中出现彼此大致平行的晶块,好似小晶体块嵌在大晶块之中,称节瘤.(4)包裹体:在晶体中呈现不均一的裹物,常见的包裹体有固体、液体、气体三种，这些物体在晶体中破坏了晶体的均一性。(5)裂隙：在晶体中看似缝隙的痕物现象，称裂隙，有开口裂隙和闭口裂隙两种情况，在制造石英谐振器时是不允许有裂隙存在。(6)幻境：晶体生长过程中多次中断的痕迹，但它并不破坏晶格的完整性，若无其它毛病，这种晶体还是可以利用的。上述缺陷均应在选料和加工的过程中，通过检查及时发现和处理。第七节AT切石英谐振器的特点AT切石英谐振器属于厚度切变的理论、机电特性、规格设计、制造工艺、应用条件等已完善，成为当今压电技术领域中应用最广泛的一种切型。一、AT切同其它切型相比，它具有以下特点：1、在很宽的温度范围内（-55～+125℃）具有良好的频率温度特性，因此无需进行温度补偿，就能满足许多石英晶体谐振器基础知识培训教材4应用领域的频率稳定度。比如，一般通信（讯）系统，家用电器、计算机、通用仪表等领域。2、Q值高，目前高稳定晶体振荡器用的高精密石英晶体大多采用AT切制成的高稳定振荡器其老化率可达±5×10。3、石英晶片体积小，便于小型化，片式化。4、频率覆盖范围宽，从0.5M～350MHZ可稳定地工作。5、设计和工艺制造比较成熟，适合于大量生产。6、不可广泛用于稳频，而且可广泛用于选频，比如10.7MHZ\21.4MHZ\70MHZ单片晶体滤器.二、AT切频率温度特性所谓频率温度特性，即石英谐振器的频率依赖于温度的变化关系，通常AT切频率温度特性曲线可用如下公式表示：△F/FA=（T-T0）+A2（T-T0）²+A3(T-T0)³+…式中:△F/FA—频率随温度的相对变化率T—任意温度(℃)A1\A2\A3—系数值,它与石英片切角,几何外形、振动形式、泛音次数等有关。在实际工作中，AT切频率温度特性曲线，通常称为三次曲线。三、AT切厚度t的计算。公式=1660N/F式中N—泛音次数f—标称频率（KHZ）1660—频率常数第八节BT切石英晶体的特性BT切型是早期发展的高频切型之一，后来由于AT切型的优点显著，它就几乎被AT切型所取代。近几年来对BT切型的进行研究发现它的Q值比AT切型高一倍以上，此外它还有短稳好、频率常数大、加工较易等优点。因此在现代电子玩具，儿童游戏机中广泛地采用BT切石英晶体做为频率源。BT切频率温度特性为一抛物线。它的频率温度物性议程来：△F/F0=ABO（T-T0）²1、式中参考温度T0与零温度系数点（即抛物线预点）重合△F/F0—频率随温度的相对变化率T—任意温度BO—系数点2、BT切的厚度计算公式为：T=2560N/F式中：kf频率常数f—频称频率第一章石英谐振器主要名词、术语、定义1、石英谐振器是一种用于稳定频率和选择频率的重要电子元件。在有线通信、元线通信、广播电视、卫星通讯、军用和民用产品中得到了广泛的使用。以它具有的高度精确和高度稳定的特点，充分显示了它在现代高技术的迅速发展中的作用和地位。2、晶体谐振器的等效电路3、石英谐振器的主要性能指标有：标称频率、调整频差、温度频差（或总频差），负载谐振电阻、机械性能等。4、晶体的频率：由于晶体在电路的应用中其电气特性表现较复杂，与其相关的指标频率也有多个，主要的是：①、标称频率（FO）：技术条件中所指定的频率，也即用户在电路设计和元件选购时所希望的理想工作频率。②、串联谐振频率（Fr）：指在规定条件下，晶体元件电气阻抗为电阻性的两个频率中较低的一个频率。根据图1的等效电路，当不考虑C0的作用，Fr由C1和L1决定，近似等于所谓串联（支路）谐振频率③、负载谐振频率（FL）：在规定条件下，石英揩振器和负载电容串联后所产生的谐振频率。④、工作频率：在给定电路上和规定条件下石英谐振器工作所产生的实际频率。5、负载电容（CL）：从石英揩振器插脚两端向振荡电路方向看进去的全部有效电容为该振荡器加给石英谐振器的负载电容，负载电容常用的标准值有12、16、20、30、50PF。负载电容与石英谐振器一起决定振荡器的工作频率，通过调整负载电容，一般可以将振荡器的工作频率调到标称值。产品说明书中规定的负载电容既是一个测试条件，也是一个使用条件，这个值可以根据具体情况作适当的调整。负载电容太大时，杂散电容影响减小，但微调频率下降、负载电容小时、微调率增加，但杂散电容影响增加，负载谐振电阻增石英晶体谐振器基础知识培训教材5加，甚至起振困难，负载电容标为∞即为串联谐振。6、激励电平（DL）：为石英谐振器工作时消耗的有效功率。其常用的标准有0.1、0.5、1、2、1mw,产品说明书中每种产品规定的激励电平值是一个测试条件，也是一个使用条件，实际使用时，激励电平可以适当调整，激励强，容易起振，但频率老化加大。激励太强甚至使石英片破碎，降低激励，频率老化可以改善，但激励太弱时频率瞬稳变差，甚到不起振。7、AT切型的基频与泛音：AT切石英片的基频是指晶片振动的基波。由于工艺限制，最高在50MHZ以下，电气谐波与基频是整数倍关系，两者同时存在，AT切石英片泛音是指晶片振动的机械谐波。近以为晶片基频的奇数倍。晶片泛音频率必须工作在相应的电路上才能获得。我国晶体产品基频单位用KHZ，泛音频率用MHZ。8、基准温度：测量石英谐振器参数时指定的环境温度。恒温型石英揩振器一般为拐点温度范围的中心值。非恒温型石英谐振器为25±2℃。9、晶体的频差：在规定条件下，基准温度的工作频率相对于标称频率的最大偏离值。频差有以下几个：①、调整频差：在规定条件下，基准温度的工作频率相对于标称频率的最大偏离值，计算公式为：△F/F0MAX=（F1-F0）/FO（F1为基准温度下的工作频率，F0为标称频率）。②、温度频差：在规定条件下，工作在温度范围内谐振器的工作频率相对于标称频率的最大偏离值，计算公式为：△F/F0MAX=（F2-F0）/FO（F2为工作温度范围内的最大工作频率，F1为基准温度下的工作频率）。10、晶体的电阻①负载谐振电阻：在规定条件下，石英揩振器和负载电容串联后在谐振频率时的电阻。②谐振电阻：在规定条件下，石英谐振器不串负载电容在谐振频率时的是阻。11、静态电容C0：CO主要是石英片上电极间的电容和支架电容。支架电容较小，通常为0.5PF。C0=ε¹TA式中ε¹22与--Y¹方向有关的介电常数,A—电极面积,T—晶片厚度。12、动态电容C1：C1=KcA/TA²Kc-电容系数N-泛音次数。13、动态电感L1:L1=KlT³/AKL—电感系数。14、激励电平相关性(DLD)：IEC1178中规定，在高、低两激励电平检测晶体元件谐振电阻的非线性。在额定激励电平下具有相同电阻的晶体元件，在十分低的激励电平下其电阻值就可能相差很大。低激励电平下相差很大的电阻值说明阻尼力的非线性是离散的。通过DLD试验测量高、低两激励电平时，谐振电阻的非线性变化，可以严格地检验工艺水平。其试验条件