石英晶體是一種重要的電子材料.用它設(shè)計(jì)制作的現(xiàn)代社會不可缺少的石英晶體諧振器,石英晶體振蕩器和濾波器等水晶頻率元件,在穩(wěn)頻和選頻方面都有突出的優(yōu)點(diǎn).沿一定方向切割的石英晶片,當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)力作用時將產(chǎn)生與應(yīng)力成正比的電場或電荷,這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng).反之,當(dāng)石英晶片受到電場作用時將產(chǎn)生與電場成正比的應(yīng)變,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng).正,逆兩種效應(yīng)合稱為壓電效應(yīng).石英晶體不僅具有壓電效應(yīng),而且還具有優(yōu)良的機(jī)械特性,電學(xué)特性和溫度特性.關(guān)于Fortiming crystal技術(shù).
關(guān)于Fortiming crystal
Fortiming crystal公司致力于為客戶提供全面的優(yōu)質(zhì)石英晶振頻率控制產(chǎn)品系列,并為客戶提供有關(guān)頻率控制市場的新信息,其目標(biāo)是通過為客戶,員工和供應(yīng)商提供無與倫比的客戶服務(wù)和堅(jiān)定不移的長期承諾來穩(wěn)步發(fā)展.Fortiming公司提供優(yōu)質(zhì)量產(chǎn)品,工程支持和有競爭力的價格.我們的石英頻率控制器件系列包括貼片晶振,晶體時鐘振蕩器,TCXO,OCXO,VCXO和晶體濾波器.這些器件采用多種引線和SMD設(shè)計(jì)它涵蓋了新產(chǎn)品開發(fā),新應(yīng)用,新制造技術(shù)以及業(yè)務(wù)開發(fā).
1.簡介
石英是一種壓電材料.當(dāng)電壓施加到兩個電極時,具有連接到相對表面的電極的薄石英晶片機(jī)械振動.振動頻率主要是晶片尺寸的函數(shù).晶片被稱為晶體諧振器,當(dāng)適當(dāng)?shù)匕惭b有電極時,長期以來一直用于控制無線電發(fā)射器的頻率,并且它已成為電信通信設(shè)備中必不可少的部件,其壓電特性用于濾波器,振蕩器和其它設(shè)備.現(xiàn)在石英晶體為微處理器,計(jì)算機(jī),可編程控制器,手表和其他數(shù)字設(shè)備(如各種DSP)提供時間和坐標(biāo)信號.
石英是二氧化硅(SiO2)的結(jié)晶形式.它是一種堅(jiān)硬,易碎,透明的材料,密度為2649kg/m3,熔點(diǎn)為1750℃.石英不溶于普通酸,但可溶于氫氟酸和熱堿.當(dāng)石英加熱到573℃時,其晶形發(fā)生變化.高于此轉(zhuǎn)變溫度的穩(wěn)定形式稱為高石英或β-石英,而穩(wěn)定形式低于573°C被稱為低石英或α-石英.對于石英晶振應(yīng)用,只有α石英是有意義的,除非另有說明,否則后續(xù)的術(shù)語石英總是指α-石英.石英是一種豐富的天然材料,但需要大量的勞動力才能將優(yōu)質(zhì)的天然石英與劣質(zhì)天然石英分開.雖然硅(主要以二氧化物形式,通常為小石英微晶)占地殼的大約三分之一,但是主要在巴西發(fā)現(xiàn)了適用于采用其壓電特性的裝置的尺寸和質(zhì)量的天然石英.天然石英的加工成本也很高,因?yàn)樗噪S機(jī)的形狀和尺寸出現(xiàn).此外,一些劣質(zhì)石英片段僅在部分加工后才被發(fā)現(xiàn).天然石英中廣泛存在的雜質(zhì)常常使切割小晶片變得不切實(shí)際.開發(fā)培養(yǎng)石英的第一個重要步驟是在1936年,當(dāng)時美國陸軍通信兵團(tuán)在Drs的指導(dǎo)下向Brush實(shí)驗(yàn)室簽訂了合同.賈菲,黑爾和索耶.這是因?yàn)樘烊皇⒌娜狈?具有良好的壓電質(zhì)量,通常從巴西購買.
今天,石英現(xiàn)在人工種植到特定的尺寸.控制晶體取向,純度均勻.標(biāo)準(zhǔn)尺寸降低了切割晶片的成本,并且雜質(zhì)廣泛分散,使得需要低驅(qū)動功率的小諧振器成為可能.
2.培養(yǎng)石英的基本過程
培養(yǎng)的石英在稱為高壓釜的大型壓力容器中生長(參見下面的示意圖).高壓釜是一個金屬圓筒,一端封閉,能承受高達(dá)30,000磅/平方英寸的壓力,內(nèi)部溫度為700至800°F.它通常高12至20英尺,直徑2至3英尺

將純的但未面對的石英晶體諧振器中的石英(尺寸為1至1.5英寸)的小碎片(稱為“lascas或營養(yǎng)物”)放置在金屬絲網(wǎng)籃中并降低到容器的下半部分中.帶有預(yù)先安排的孔的鋼板,稱為“擋板”,設(shè)置在籃筐的頂部.擋板用于分離生長(種子)區(qū)域和營養(yǎng)區(qū)域,并幫助建立兩個區(qū)域之間的溫差.適當(dāng)取向的單晶板(天然的或培養(yǎng)的),稱為"種子",安裝在架子上并懸掛在容器上半部的擋板頂部.然后將高壓釜用堿性水溶液(碳酸鈉或氫氧化鈉)填充至其自由體積的約80％,以允許將來的液體膨脹,并用高壓封閉物密封.然后通過連接到圓筒外圓周的一系列電阻加熱器使高壓釜達(dá)到工作溫度.隨著溫度升高,壓力開始在高壓釜內(nèi)形成.溫度為700至800在容器的下半部分達(dá)到°F,而上半部分保持在比下半部分低70至80°F的溫度.
在操作壓力和溫度下,lascas溶解在容器下半部分的加熱溶液中,然后上升.當(dāng)它達(dá)到容器上部的較冷溫度時,溶液變得過飽和,導(dǎo)致在lascas內(nèi)溶解的石英重新結(jié)晶到種子上.然后冷卻的廢溶液返回到容器的下半部分以重復(fù)循環(huán),直到拉斯卡斯耗盡并且培養(yǎng)的石英石達(dá)到所需的尺寸.這種所謂的"水熱法"時間范圍為25至365天,具體取決于所需的石材尺寸,性質(zhì)和工藝類型-氫氧化鈉或碳酸鈉.
3.石英晶體的對稱性,孿晶和尺寸
α-石英屬于晶體學(xué)類32,它是六角形棱柱,每端有六個帽面.棱鏡面指定為m面,蓋面指定為R面和r面.R面通常被稱為主要菱形面,r面是次要的菱形面.左手和右手晶振都是自然發(fā)生的,可以通過S面和X面的位置來區(qū)分.

如上面的示意圖所示,α-石英晶體具有三重對稱的單軸(三角軸),并且它具有與該三角軸垂直的三個雙重對稱軸(二軸).二維軸間隔120°并且是極軸,也就是說,可以為它們分配一定的感覺.極軸的存在意味著缺乏中心對稱性,并且是壓電效應(yīng)存在的必要條件.二軸也稱為石英電軸(x軸,y軸).在具有完全發(fā)展的自然面的晶體中,每個極軸的兩端可以通過S面和X面的存在或不存在來區(qū)分.當(dāng)在電軸方向上施加壓力時,在由這些面改變的軸的那一端產(chǎn)生負(fù)電荷.三角軸,也稱為光軸(z軸),不是極性的,因?yàn)榕c其垂直的二軸的存在意味著三角軸的兩端是等效的.因此,沿光軸不會產(chǎn)生壓電極化.在直角坐標(biāo)系中,z軸平行于m個棱鏡面.以其垂直于x軸的主表面切割的石英板稱為X切割板.將切割繞z軸旋轉(zhuǎn)90度給出Y切割板,其y軸現(xiàn)在垂直于主表面.由于石英晶體具有六個棱鏡面,因此x軸和y軸存在三種選擇.選擇是任意的;每個行為都相同.
石英是一種光學(xué)活性材料.當(dāng)沿著光軸傳輸平面偏振光束時,發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn),并且旋轉(zhuǎn)量取決于在材料中穿過的距離.旋轉(zhuǎn)感可用于區(qū)分兩種天然存在的α-石英形式,稱為左石英和右石英.在左石英中,當(dāng)觀察者看向光源時,偏振平面逆時針旋轉(zhuǎn),而在右石英中,它順時針旋轉(zhuǎn).產(chǎn)生的大多數(shù)培養(yǎng)石英是正確的石英,而在天然左右石英中大致均勻分布.這兩種形式同樣可以用于制造諧振器,但是左右形式混合的材料,稱為光學(xué)雙晶材料,不能使用.另一方面,電孿晶材料都是同一只手,但包含電軸感相反的區(qū)域,從而降低了整體壓電效應(yīng).這種材料也不適用于諧振器應(yīng)用.天然石英晶體中孿晶和其他缺陷的存在是合適天然材料短缺的主要原因,并且在培養(yǎng)石英中不存在顯著的孿晶構(gòu)成其主要優(yōu)點(diǎn)之一.當(dāng)α-石英加熱到573以上時天然石英晶體中孿晶和其他缺陷的存在是合適天然材料短缺的主要原因,并且在培養(yǎng)石英中不存在顯著的孿晶構(gòu)成其主要優(yōu)點(diǎn)之一.當(dāng)α-石英加熱到573以上時天然石英晶體中孿晶和其他缺陷的存在是合適天然材料短缺的主要原因,并且在培養(yǎng)石英中不存在顯著的孿晶構(gòu)成其主要優(yōu)點(diǎn)之一.當(dāng)α-石英加熱到573以上時°C,晶體形態(tài)變?yōu)?beta;-石英,其具有六邊形而不是三角形對稱性.在通過573°C冷卻后,材料恢復(fù)為α-石英,但通常會發(fā)現(xiàn)電氣孿晶.出于同樣的原因,施加大的熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力會引起孿晶,因此在諧振器處理中必須避免任何這種熱或機(jī)械沖擊.
從生產(chǎn)它們的高壓釜中取出后,通過研磨將培養(yǎng)的石英晶體轉(zhuǎn)化成所謂的編號棒.這些是長矩形條,適合于隨后切割成用于諧振器的晶片.編號條通常為6至8英寸長,但可用長度為約5至6英寸,因?yàn)榭拷瞬康牟牧喜豢捎?可以種植更長的條,但這些條需要更長的種子,其成本隨著長度的增加而迅速增加.編號條的高度通常約為寬度的兩倍,因?yàn)橥ǔ拿總€切片切割兩個晶片.有許多標(biāo)準(zhǔn)尺寸的編號條,石英也可以種植和研磨到指定的尺寸.如我們的3225晶振,2520晶振等多種體積晶振.
4.石英晶體中的化學(xué)雜質(zhì)
養(yǎng)殖和天然石英都含有可影響諧振器性能的化學(xué)雜質(zhì).化學(xué)雜質(zhì)是與石英中的硅和氧形成化學(xué)鍵的化學(xué)雜質(zhì).鋁,鐵,氫和氟是典型的化學(xué)雜質(zhì).它們在培養(yǎng)石英中的含量遠(yuǎn)低于天然石英中常見的水平.然而,化學(xué)雜質(zhì)不均勻地分布在培養(yǎng)的石英中.在+X,-X,Z區(qū),和所謂的S區(qū),偶爾形成,含有不同程度的化學(xué)雜質(zhì).兩個z區(qū)域含有最少量的雜質(zhì).+x區(qū)域包含z區(qū)域的更多雜質(zhì),以及-x區(qū)域還有更多的雜質(zhì).s區(qū)域中通常較小的雜質(zhì)密度介于z區(qū)域和+x區(qū)域之間.當(dāng)寬種子用于培養(yǎng),一個是故桿的z區(qū)域大,并且+x和-X區(qū)域是小的.當(dāng)使用窄,更便宜的種子,在Z區(qū)域是較小的和+x和-X區(qū)域大.通常,化學(xué)雜質(zhì)會導(dǎo)致諧振器性能下降,例如輻射硬度,纏繞敏感性,振蕩器短期和長期穩(wěn)定性以及濾波器損耗.

5.諧振器Q和晶體Q.
晶體諧振器的Q值是在一個周期內(nèi)存儲的能量與能量損失之比：

Qº2p周期/能源一個循環(huán)期間損失過程中的能量存儲

該值很重要,因?yàn)樗球?qū)動諧振器所需功率的量度.Q主要是諧振器工作的氣氛,表面缺陷,機(jī)械連接以及由處理和安裝諧振器產(chǎn)生的其他因素的函數(shù).
石英編號條也被賦予Q值,但石英條的Q不是基于對存儲的能量和能量損失的直接測量.相反,石英棒的Q是基于棒中雜質(zhì)的品質(zhì)因數(shù).通過將紅外光引導(dǎo)通過編號條的橫截面切片中的z區(qū)域來測量培養(yǎng)石英中的化學(xué)雜質(zhì).測量兩個特定波長(3,500nm和3,800nm)的透射率差異,并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算Q值.具有高Q的石英比具有低Q的那些含有更少的雜質(zhì),并且根據(jù)EIA標(biāo)準(zhǔn)477-1的“紅外Q”測量通常被石英種植者和用戶用作石英貼片晶振質(zhì)量的指標(biāo).
諧振器的Q值通常與切割諧振器的石英棒的值不同.然而,當(dāng)石英棒的Q低于臨界水平時,諧振器的Q可能受到影響.培養(yǎng)石英的AQ值為180萬或更高表明化學(xué)雜質(zhì)在大多數(shù)應(yīng)用中不會成為諧振器最終Q的一個因素.具有Q值的石英通常稱為電子級(C級).優(yōu)質(zhì)石英的Q值為220萬(B級),特殊溢價的Q值為300萬(A級).重要的是要注意,培養(yǎng)石英的Q值僅基于z區(qū)域中的雜質(zhì).因此,即使晶體Q足以滿足應(yīng)用,諧振器Q和頻率與-x或s區(qū)域材料.
僅含有z區(qū)材料的石英晶體晶片只能從相對昂貴的寬種子生長的條中成功切割.幸運(yùn)的是,電極很少覆蓋諧振器晶片的整個表面區(qū)域,并且包含在雜質(zhì)+X,-x或S區(qū)不諧振器運(yùn)行產(chǎn)生不利影響時,這些雜質(zhì)材料謊言活性部分的外側(cè).因此,用于大多數(shù)應(yīng)用的諧振器可以使用從相對便宜的窄種子生長的石英.
6.總結(jié)
壓電石英晶體是由著名的居里夫婦于1880年發(fā)現(xiàn)的,曾經(jīng)以高成本從粗糙的天然水晶中獲得,現(xiàn)在通過生產(chǎn)特定尺寸和純度的晶體的工藝人工種植.這種培養(yǎng)石英降低了成本并減小了對當(dāng)今數(shù)字電路時序至關(guān)重要的諧振器尺寸.

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