石英晶体介绍
石英晶体基础
石英晶体基础石英，学名二氧化硅。
是自然界分布最广的物质之一。
它有五种变体（β石英、α石英、α磷石英、方石英、溶炼石英），其中α石英和β石英具有压电效应，当施加压力在晶片表面时, 它就会产生电气电位, 相对的当一电位加在芯片表面时, 它就会产生变形或振动现象, 掌握这种振动现象, 控制其发生频率的快慢, 以及精确程度, 就是水晶振荡器的设计与应用。
石英是由硅原子和氧原子组合而成的二氧化硅（Silicon Dioxide, SiO2）, 以32点群的六方晶系形成的单结晶结构﹝图一﹞.单结晶的石英晶体结构具有压电效应特性, 当施加压力在晶体某些方向时, 垂直施力的方向就会产生电气电位. 相对的当以一个电场施加在石英晶体某些轴向时, 在另一些方向就会产生变形或振动现象. 掌握单结晶石英材料的这种压电效应, 利用其发生共振频率的特性, 发挥其精确程度作为各类型频率信号的参考基准, 就是水晶震荡器的设计与应用. 因为石英晶体具有很高的材料Q值,所以绝大部份的频率控制组件,如共振子及振荡器,都以石英材料为基础. 以石英为基础的频率控制组件可以依其压电振动的属性, 可以分为体波(bulk wave)振动组件及表面声波(surface acoustic wave)振动组件. 体波振动组件如石英晶体共振子, 石英晶体滤波器及石英晶体振荡器, 表面波振动组件如表面波滤波器及表面波共振子. 当石英晶体以特定的切割方式, 以机械加工方式予以表面研磨, 完成特定的外型尺寸就是通称的石英芯片(quartz wafer 或quartz blank ). 将这个石英芯片放置在真空还境中, 于表面镀上电极后,再以导电材料固定在金属或是陶瓷基座上, 并加以封装, 就成为一般所谓的石英晶体共振子( quartz crystal resonator ). 利用石英共振子在共振时的低阻抗特性及波的重迭特性, 用邻近的双电极, 可以做出石英晶体滤波器. 将石英振荡子加上不同的电子振荡线路, 可以做成不同特性的石英振荡器. 例如: 石英频率振荡器(CXO), 电压控制石英晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO), 温度补偿石英晶体振荡器(Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO), 恒温槽控制石英晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO)…等. 相对于体波谐振的是表面声波的谐振. 将石英晶体表面镀以叉状电极(inter-digital-transducer, IDT)方式所产生的表面振荡波, 可以制造出短波长(高频率)谐振的表面声波共振子(SAW Resonator)或表面声波滤波器(SAW Filter).石英晶体的化学性质极为稳定，常温下不溶于盐酸、硝酸、硫酸等水和酸，只溶于氢氟酸。
石英晶体形状
石英晶体形状
石英晶体是一种常见的矿物，其晶体形状多种多样，下面将介绍几种常见的石英晶体形状。
1. 六方柱状晶体
六方柱状晶体是石英晶体中最常见的形状之一。
它的外形像一个六边形的柱子，顶部和底部都是六边形。
这种晶体形状在自然界中很常见，可以在石英矿物中轻易地找到。
2. 六方板状晶体
六方板状晶体是另一种常见的石英晶体形状。
它的外形像一个六边形的薄片，厚度很薄，通常只有几毫米。
这种晶体形状在石英矿物中也很常见。
3. 立方体状晶体
立方体状晶体是石英晶体中比较少见的形状之一。
它的外形像一个正方体，六个面都是正方形。
这种晶体形状在自然界中比较罕见，通常只在一些特殊的石英矿物中出现。
4. 棱柱状晶体
棱柱状晶体是石英晶体中比较特殊的形状之一。
它的外形像一个长
方形的柱子，四个面都是长方形。
这种晶体形状在自然界中比较罕见，通常只在一些特殊的石英矿物中出现。
5. 针状晶体
针状晶体是石英晶体中比较特殊的形状之一。
它的外形像一根细长的针，长度可以从几毫米到几厘米不等。
这种晶体形状在自然界中比较罕见，通常只在一些特殊的石英矿物中出现。
石英晶体形状多种多样，每一种形状都有其独特的特点和用途。
石英晶体在工业、科研和生活中都有广泛的应用，因此对其形状的研究和了解具有重要的意义。
石英晶体元器件简介演示
未来石英晶体元器件将不断涌现出新的技术创新，推动市场不断升 级和变革。
行业整合
随着市场竞争的加剧，石英晶体元器件行业将出现整合现象，优势企 业将进一步巩固市场地位。
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石英晶体元器件的选型与使用 注意事项
选型原则与标准
性能参数匹配
选择满足电路性能要求的石英晶 体元器件，确保其频率、温度系 数、负载电容等参数符合设计要 求。
通过石英晶体元器件，可以确保电子 设备中的电路运行在准确的频率上， 从而提高设备的性能和稳定性。
石英晶体传感器的应用
石英晶体传感器利用石英晶体的压电效应，将物理量（如压力、加速度、温度等 ）转换为电信号。
这些传感器在工业自动化、环境监测、航空航天等领域有广泛应用，用于测量和 监控各种物理量。
石英晶体谐振器的应用
石英晶体谐振器利用石英晶体的振荡特性，产生高精度和高 稳定的振荡信号。
在各种电子设备和通信系统中，石英晶体谐振器被用作时钟 源或参考频率源，确保系统正常运行。
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石英晶体元器件的制造工艺
石英晶体元器件的制造工艺
• 石英晶体元器件，也称为石英晶体振荡器（Quartz Crystal Oscillator, QCO），是一种利用石英晶体（通常为天然或人造 石英）的压电效应产生振荡的电子元件。由于其具有高精度、 高稳定性和长寿命等优点，石英晶体元器件广泛应用于通讯、 导航、计算机、家电及工业控制等领域。
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石英晶体元器件的市场与发展 趋势
市场需求与竞争格局
市场需求
随着电子设备的发展，石英晶体元器件市场需求持续增长，尤其在通信、导航 、消费电子等领域。
竞争格局
石英晶体元器件市场呈现多极化竞争格局，国内外知名品牌和中小企业均有参 与，竞争激烈。
石英结晶温度
石英结晶温度石英结晶温度是指石英晶体在一定条件下开始晶化的温度。
石英是一种常见的硅酸盐矿物，化学组成为SiO2。
石英的晶体结构稳定，具有高熔点和高硬度等特点，因此被广泛应用于玻璃、陶瓷、电子器件等领域。
石英结晶温度与石英晶体的形成过程密切相关。
在地壳深部，高温高压的条件下，石英可以形成大型晶体。
而在地壳浅部，低温低压的条件下，石英往往以微晶形式存在。
石英结晶温度的确定需要考虑多种因素，包括压力、温度、成分和结晶速率等。
石英的晶体结构属于三斜晶系，晶胞参数为a=4.913Å，b=4.913Å，c=5.405Å，α=90°，β=90°，γ=120°。
晶胞中的SiO4四面体团簇通过共享氧原子形成石英晶体的三维网络结构。
这种结构稳定性使得石英具有较高的熔点。
石英的熔点约为1670摄氏度。
在高温条件下，石英晶体会逐渐熔化成为熔融状态的硅酸盐液体。
而在低温条件下，石英晶体则保持固态结构。
石英的熔点较高，使得它具有较好的耐高温性能，适用于高温环境下的应用。
石英结晶温度的测定方法有多种，常用的方法包括差热分析法、高温显微镜观察法和X射线衍射法等。
差热分析法通过测量样品在升温过程中的热容变化来确定石英结晶温度。
高温显微镜观察法则是在显微镜下观察样品在升温过程中的形态变化，从而确定石英结晶温度。
X射线衍射法则通过测量样品在不同温度下的X射线衍射图谱来确定石英结晶温度。
除了温度，石英结晶还受到压力和成分的影响。
在高压条件下，石英的结晶温度会升高。
石英晶体中的杂质元素也会影响石英的结晶温度。
一些金属离子的掺入可以降低石英的结晶温度，而一些杂质元素的掺入则会提高石英的结晶温度。
石英的结晶温度是指石英晶体开始晶化的温度。
石英的熔点较高，具有较好的耐高温性能。
石英结晶温度的测定需要考虑多种因素，包括温度、压力、成分和结晶速率等。
石英结晶温度的确定可以通过差热分析法、高温显微镜观察法和X射线衍射法等方法进行。
石英晶体微天平物质结构
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• Quartz crystal • 2. Electrode material
ΔF= - 2 F02ΔM/A（q q）1/2
ΔF: Frequency Change of Quartz Crystal; ΔM: Mass Change of the Substance on Electrode
石英晶体微天平（quartz crystal microbalance）是一种非常灵敏的质量检 测器，能够快速、简便和实时检测反应过 程中的质量变化，检测限可达到纳克级 水平，已被广泛应用于基因学、诊断学等 各方面，成为分子生物学和微量化学领域 最有效的手段之一。
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QCM crystal. Grey=quartz, yellow=metallic electrodes.
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当晶体被浸入到溶液中，振荡频率取决于 所使用的溶剂。当覆盖层比较厚时，频率 f 和质量变化 Dm 之间是非线性的，需要 修正。
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当石英晶体振荡与流体接触时，晶体表面 对流体的耦合极大地改变振荡频率，并在 晶体与流体接触面附近产生一剪切振动。 振动表面在流体中产生平流层，它导致 频率与(h)1/2成比例降低，这里和h分别 是流体的密度和粘度。
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而当石英晶体受到电场作用时,在它的某些 方向出现应变，而且电场强度与应变之间 存在线性关系，这种现象称为逆压电效 应。逆压电效应是在电场的作用下，在电 偶极距发生变化的同时产生形变.
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三、石英谐振器的振动模式
石英谐振器是由石英 晶片、电极、支架及 外壳等部分构成。
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１、伸缩振动模式 ２、弯曲振动模式 ３、面切变振动模式 ４、厚度切变振动模式
2、光双晶：同时存在左旋和右旋两个部分连 生在一起。
石英晶体的特点
石英晶体的特点
石英晶体是一种极为常见的晶体，主要由二氧化硅(SiO2)构成，具有很多特点和应用价值。
石英晶体具有高硬度和高抗磨性。
在矿物学中，石英晶体是硬度最高的矿物之一，其硬度达到7级。
此外，石英晶体具有很好的耐磨性，可以在高温高压等恶劣环境下长期保持其物理性质。
石英晶体具有很好的光学性能。
石英晶体的折射率很高，因此在光学领域得到了广泛应用。
例如，石英晶体可以用来制造光学棱镜、光学窗口等光学元件，还可以用来制造光学仪器的镜片、透镜等。
石英晶体还具有很好的电学性能。
石英晶体在电场作用下会发生压电效应，即在机械应力作用下，会产生电荷分布，从而产生电场。
这种性质使得石英晶体在电子领域得到了广泛应用，例如制造石英晶体振荡器、滤波器等电子元件，还可以用于制造电子钟表、计算机等电子产品。
石英晶体还具有很好的化学稳定性。
石英晶体不易被化学物质腐蚀，可以在强酸、强碱等腐蚀性环境中长期稳定存在。
这种性质使得石英晶体可以用于制造化学仪器、实验室设备等。
石英晶体具有很多优良的特性和应用价值，其在光学、电子、化学等多个领域都拥有广泛的应用。
随着科技的不断进步，石英晶体的
应用领域还将不断扩展，展现出更大的价值和潜力。
石英晶体
石英晶体quartz crystal二氧化硅(SiO)的单晶体，又称水晶，有天然和人造的两种。
石英晶体是一种重要的电子材料。
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。
用它设计制作的谐振器、振荡器和滤波器等，在稳频和选频方面都有突出的优点。
1880年法国P.居里发现石英晶体的压电效应。
直到第一次世界大战期间，石英晶体的压电效应才得到应用。
由于天然石英资源短缺，人们研究用人工方法进行培育。
1905年意大利学者用水热温差法制造出合成人造石英。
1960年美国西方电气公司建立了第一个人造石英工厂，人造石英进入工业化生产阶段。
现代用水热温差法培育的人造石英，质量已可与天然石英媲美，能满足电子技术的需要。
在大气压力下，石英的熔点为1750[618-1]。
在573[618-1]以下时称石英，属于三方晶系32点群；在573～870[618-1]之间时称石英,属六方晶系622点群。
石英和石英都具有压电效应，但现代广泛使用的是石英，它的密度为2.65克／厘米，莫氏硬度为7。
理想的石英晶体外形见图。
它有一个三次旋转对称轴,三个互成120°夹角的二次旋转对称轴,三次轴与二次轴垂直。
晶轴与三次轴平行，晶轴、和[kg1]则分别与三个二次轴平行。
[kg1]轴与轴重合，轴与轴重合。
根据石英晶体的旋光性质，石英还可分为右旋石英和左旋石英(图[石英晶体的理想外形图」)沿方向施加压力时，右旋石英的轴正向带正电，左旋石英的轴正向带负电。
石英晶体的轴为光轴，光线沿轴通过晶体时不产生双折射现象。
轴称为电轴,沿轴或轴施加压力时,在轴方向产生电效应。
轴称为机械轴，沿轴或轴施加压力时，在轴方向不产生电效应。
石英晶振频率
石英晶振频率石英晶振频率是指石英晶体在电场作用下产生的机械振动频率。
它是现代电子技术中广泛应用的一种基础元器件，被广泛应用于通信、计算机、仪器仪表等领域。
本文将从以下几个方面详细介绍石英晶振频率。
一、石英晶体的基本结构和性质石英晶体是由SiO2分子通过共价键连接而成的晶体，具有高硬度、高化学稳定性、高温稳定性等特点。
其结构为三角形六方晶系，具有对称性和周期性。
二、石英晶振频率的产生原理当外加电场作用于石英晶体上时，会使其分子发生机械振动，并且在某些特定条件下，这种振动呈现出固有频率。
这个固有频率就是所谓的石英晶振频率。
三、影响石英晶振频率的因素1. 晶体尺寸：尺寸越小，固有频率越高。
2. 晶体厚度：厚度越薄，固有频率越高。
3. 晶体形状：不同形状的晶体具有不同的固有频率。
4. 晶体纯度：晶体纯度越高，固有频率越稳定。
5. 温度：温度变化会改变晶体的物理结构，从而影响固有频率。
四、石英晶振频率的应用1. 通信领域：用于无线电通信、卫星通信等领域，作为时钟源、频率合成器等元器件。
2. 计算机领域：用于计算机内部时钟源、CPU时钟等元器件。
3. 仪器仪表领域：用于精密测量仪器、医疗设备等领域，作为稳定的时钟源和频率源。
五、石英晶振频率的发展趋势随着科技的发展和需求的不断增加，对于更高精度、更高稳定性的石英晶振频率的需求也越来越大。
目前已经出现了各种新型石英晶振器件，如MEMS型石英振荡器、表面声波滤波器等。
这些新型设备在小尺寸、低功耗、高可靠性等方面都具有优势，将会在未来的应用中得到更广泛的应用。
六、总结石英晶振频率是现代电子技术中不可或缺的基础元器件，其固有频率受到多种因素的影响。
随着科技的不断发展，对于更高精度、更高稳定性的石英晶振频率需求也越来越大。
未来随着新型石英晶振器件的出现，石英晶振频率在各个领域中将会得到更广泛的应用。
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石英晶体俗称水晶，成分SiO2，它不仅是较好的光学材料，而且是重要的压电材料。
晶体的主要特征是其原子或分子有规律排列，反映在宏观上是外形的对称性。
人造水晶在高温高压下结晶而成。
在电场的作用下，晶体内部产生应力而形变，从而产生机械振动，获得特定的频率。
我们利用它的这种逆压电效应特性来制造石英晶体谐振器。
术语定义
ＡＴ切割用特殊的切割角度加工晶体的一种切割方法，用这种切割方法加工的晶体有良好的温度特性，是制造石英晶体元件最常用的方法。
老化率石英晶体产品频率相对于时间的稳定性，一般情况下它的变化是几个ppm/年
等效电阻ＲＩ等效电阻（ESR）通常表明石英谐振器在连续振荡中阻抗性能的好坏
调整频差各种频率可接收的变化范围（一般情况下用ppm表示）
温度频差石英晶体元件频率随温度变化而变化的特性。
不同的切割方法和不同的切割角度都有不同的特性曲线。
工作温度范围晶体元件工作在规定频差之内的工作温度范围。
储存温度范围晶体能在它的特殊性中得到完好保存的范围。
激励电平电路中用来驱动晶体元件振荡的电源叫激励电平，越好的产品需要的激励电平越小。
负载电容从晶体的两个引脚向电路系统看去电路所呈现的全部有效电容，即为负载电容，它与晶体元件一起决定晶体在电路上的工作效率。
等效电路晶体的等效电路。
可利用其表述晶体在谐振频率附近的工作特性，Co表示静态电容，是晶体两电极之间的电容和加上引线及基座带来的电容。
RI、LI、CI组成晶体等效电路的动态臂。
CI表示石英的动态电容。
LI为动态电感，RI为动态电阻。
基频晶体的定义是:设计工作在给定振动模式最低阶次上的晶体元件
泛音晶体的定义是:工作在比最低阶次要高的阶次上的晶体元件,有三次,五次,七次等
石英晶体谐振器(简称晶体)
.术语解释
1、标称频率：晶体技术条件中规定的频率，通常标识在产品外壳上。
2、工作频率：晶体与工作电路共同产生的频率。
3、调整频差：在规定条件下，基准温度（25±2℃）时工作频率相对于标称频率所允许的偏差。
4、温度频差：在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度（25±2℃）时工作频率的允许偏差。
5、老化率：在规定条件下，晶体工作频率随时间而允许的相对变化。
以年为时间单位衡量时称为年老化率。
6、静电容：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容，通常用C0表示。
7、负载电容：与晶体一起决定负载谐振频率fL的有效外界电容，通常用CL表示。
负载电容系列是：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF、50PF、100PF。
只要可能就应选推荐值：10PF、20PF、30PF、50PF、100PF。
8、负载谐振频率（fL）：在规定条件下，晶体与一负载电容相串联或相并联，其组合阻抗呈现为电阻性时的两个频率中的一个频率。
在串联负载电容时，负载谐振频率是两个频率中较低的一个，在并联负载电容时，则是两个频率中较高的一个。
9、动态电阻：串联谐振频率下的等效电阻。
用R1表示。
10、负载谐振电阻：在负载谐振频率时呈现的等效电阻。
用RL表示。
RL＝R1（1+C0/CL）2
11、激励电平：晶体工作时所消耗功率的表征值。
激励电平可选值有：2mW、1mW、0.5mW 、0.2mW、0.1mW、50μW、20μW、10μW、1μW、0.1μW等
12、基频：在振动模式最低阶次的振动频率。
13、泛音：晶体振动的机械谐波。
泛音频率与基频频率之比接近整数倍但不是整数倍，这是它与电气谐波的主要区别。
泛音振动有3次泛音，5次泛音，7次泛音，9次泛音等。
.应用指南
石英晶体谐振器根据其外型结构不同可分为HC-49U、HC-49U/S、
HC-49U/S·SMD、UM-1、UM-5及柱状晶体等。
HC-49U适用于具有宽阔空间的电子产品如通信设备、电视机、电话机、电子玩具中。
HC-49U/S适用于空间高度受到限制的各类薄型、小型电子设备及产品中。
HC-49U/S·SMD为准表面贴装型产品，适用于各类超薄型、小型电脑及电子设备中。
柱状石英晶体谐振器适用于空间狭小的稳频计时电子产品如计时器、电子钟、计算器等。
UM系列产品主要应用于移动通讯产品中，如BP机、移动手机等。
石英晶体谐振器主要用于频率控制和频率选择电路。
本指南有助于确保不出现性能不满意、成本不合适及可用性不良等现象。
1、振动模式与频率关系：
基频1～35MHz
3次泛音10～75MHz
5次泛音50～150MHz
7次泛音100～200MHz
9次泛音150～250MHz
2、晶体电阻：对于同一频率，当工作在高次泛音振动时其电阻值将比工作在低次振动时大。
3、工作温度范围与温度频差：在提出温度频差时，应考虑设备工作引起的温升容限。
当对温度频差要求很高，同时空间和功率都允许的情况下，应考虑恒温工作，恒温晶体振荡器就是为此而设计的。
4、负载电容与频率牵引：在许多应用中，都有用一负载电抗元件来牵引晶体频率的要求，这在锁相环回路及调频应用中非常必要，大多数情况下，这个负载电抗呈容性，当该电容值为CL时，则相对负载谐振频率偏移量为：DL=C1/[2（C0+CL）]。
而以CL作为可调元件由DL1调至DL2时，相对频率牵引为：
DL1，L2= C1（CL1－CL2）/[2（C0+CL1）（C0+CL2）]。
5、负载电容的选择：晶体工作在基频时，其负载电容的标准值为20PF、30PF、50PF、100PF。
而泛音晶体经常工作在串联谐振，在使用负载电容的地方，其负载电容值应从下列标准值中选择：8PF、12PF、15PF、20PF、30PF。
6、激励电平的影响：一般来讲，AT切晶体激励电平的增大，其频率变化是正的。
激励电平过高会引起非线性效应，导致可能出现寄生振荡；严重热频漂；过应力频漂及电阻突变。
当激励电平过低时则会造成起振阻力不易克服、工作不良及指标的不稳定。
7、滤波电路中的应用：应用于滤波电路中时，除通常的规定外，更应注意其等效电路元件的数值和误差以及寄生响应的位置和幅度，由于滤波晶体设计的特殊性，所以用户选购时应特别说明。