石英晶体基础知识

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），其中只有β石英才具有压电效应，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 , 就是水晶震荡器的设计与应用。

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。在加热时石英晶体能溶于碱溶液，这个特点成为人造水晶的基础。因此现在一般采用氟化氢氨对石英晶体进行腐蚀。

石英晶体的理想外型见图 1-1 ，从图中可以看出，石英晶体存在左旋与右旋之分，左、右旋晶体为镜像对称。石英晶体的理想外型总共有三十个晶面，共分五组，每组六个，即：六个 M 面（柱面），六个 R 面（大棱面），六个 r （小棱面），六个 S 面和六个 X 面，这些晶面间的夹角见表 1-1 。

实际上理想的外型是很难见到的，尤其是人工培育的水晶，由于籽晶的切割方位及外型不同使我们看到的形状与上图大不相同，甚至面目全非，各种结晶面不易辨认。

水晶常见的缺陷有：双晶、包裹体、裂隙、炸裂、贝裂等

如果把交变电压施加于石英晶片两个电极之间，当交变电压的频率与石英晶片固有振动频率一致时，通过逆压电效应，晶片便产生机械振动。同时又通过正压电效应而输出电信号。一般石英晶体谐振器的频率范围可以从数百赫兹到几百兆赫兹。

?等效电路如图 1-2 ：

?工作原理：晶体振荡器电路有反馈型和负阻性两种，通常用反馈型振荡电路，其工作原理如图 1-3 ：

?主要技术要求主要内容包括：工作频率、输出电平和输出阻抗、频率准确度、频率稳定度、老化率、频率微调范围、压控特性、开机特性、功率消耗。

1 ）谐振特性

通过晶片的电流 I 随外加讯号频率 f 而改变，当 F=fm 时，电流有最大值 Im ，这时谐振器阻抗最小。当 f=fa 时，电流最小值为 In ，这时谐振器阻抗最大。当谐振器机械损耗很小时， fm 、 fa 与谐振 fr 及反谐振频率 fa 近似相等。

一般石英谐振器 fm 和 fa 可近似地看做谐振频率和反谐振频率。

在谐振频率附近，石英晶体谐振器和由 LC 组成的串联电路的谐振特性是完全相同的。

图 1-4 石英谐振器的谐振特性

2 ）频率温度特性

石英晶体谐振器和频率随温度变化的关系称做频率温度特性。

图 1-5 是厚度曲变 AT 型切割频率温度特性曲线 , 从其切割角度之参数曲线图可看出 , AT 切割频率温度特性曲线 , 类似于一元三次方程式的曲线 , 显示在特定的温度范围内 , 有很好的频率稳定特性 . 是目前水晶振荡器最常使用的切割型式

3 ）老化特性

（ 1 ）石英晶体谐振器在使用、贮存过程中频率随时间变化的现象称为老化。老化特性直接影响晶体振荡器的频率稳定度。（ 2 ）老化原因：由于应力的恢复、质量吸附或这两者结合而形成的。

随着二十世纪电子产业的蓬勃发展 , 石英晶体谐振器的应用范围越来越广，消费性产品：如数字电视 , 游乐器 , 数码相机 , 手表等。信息产品：如个人计算机 , 及其外围设备 , 手提电脑 , 及硬盘等。通讯产品：如移动电话 , 无线电电话 , 及呼叫器等 . 网络产品：如调制解调器 , IA 产品 , 甚至蓝芽套件等。都是必须使用石英水晶振荡器来组成时序电路。尤其最近各种电子产品的体积越做越小 , 石英晶体振荡器也必须小型化 , 故表面黏着式（ SMT ）石英晶体振荡器应运而生 , 除了达到小型化的目的外 , 因信号源头传导路径的缩短 , 相对的在系统设计时 , 增加了振荡器的触发能力 , 也降低电磁干扰的问题。

一、关于PbTiO3压电陶瓷

PbTiO3陶瓷最突出的特点是Kt大，Kt/Kp值大，ε小，温度系数好，居里温度高。因此，该材料在高频，高温领域有广泛的应用价值，也是各国科研人员争相开发、研制的热门材料之一，此材料的未来发展，大有希望。

钛酸铅陶瓷，实际上是在锆钛酸铅陶瓷广泛使用后才发展起来的，与BaTiO3陶瓷一样，PbTiO3陶瓷在室温时，Pb2+、Ti4+和O2－的离子都要发生偏离原型结构（立方结构）的平衡位置的位移，由于晶胞内正负荷中心不重合，晶体在C轴方向产生自发极化，PbTiO3单晶在室温下，自发极化强度为75×10－2库仓/米2。

由于纯PbTiO3陶瓷在生产工艺上很难烧结，冷却到居里温度时，会破碎成粉末。因此，生产过程中，必须对其掺杂改性，才能烧

结成致密性好的陶瓷。

一般添加物在PbTiO3陶瓷中的改性，大致分三种形式。

1、用Sr和Ca等二价离子取代Pb离子，其特点是使居里温度下降，减小自发应变，使陶瓷致密。

2、用La、Bi、和Nd等离子取代Pb空位，其特点是稳定PbTiO3陶瓷，防止开裂，容易极化。

3、用Fe、Nb、Ta、Mg、Zn、Mn、Ni、Sb、In和Co等元素的离子代Ti离子，补偿取代后的特点是压电性能大为改善，组成性能类似于锆钛酸铅陶瓷。

一般采用三者结合掺杂，使PbTiO3陶瓷达到理想的品位。

二、如何判断PbTiO3压电陶瓷的好坏

压电陶瓷的基本参数有：介电常数、弹性常数、压电常数和机电偶合系数，还有介质损耗、机械品质因子、频率常数、居里温度、质量密度、老化性能和温度性能等。

下面介绍几种基本参数：

1、频率常数

压电陶瓷振子的谐振频率与沿振子振动方向的长度的乘积为一个常数，称为频率常数，单位为千赫·米。

压电陶瓷振子的频率常数与材料的性质有关，与振子的外形尺寸大小无关。

2、介质损耗

介质在交变电场的作用下，由发热而导致的能量损耗。称之为介质损耗。介质损耗由极化损耗、漏电损耗、介质不均匀损耗等组成。

介质损耗用损耗角的正切值表示、符号为tgα，其倒数Qe称为电学品质因子。

tgα和Qe都是无量纲的数值，一般介质损耗大的材料其性能也比较差。

3、机械品质因子

机械品质因子（用Qm表示），它代表压电陶瓷谐振时，因克服内摩擦而消耗的能量，它是衡量材料性能的一个重要参数：

式中：Co为静态电容，C1为动态电容，R为动态电阻，Δf为振子的反谐振频率fa与谐振频率fr之差。

三、压电陶瓷谐振器工艺流程

1、振子部份

基片抽样（确定厚度）→粗磨→细磨→厚度检测（气动测微仪）→超声清洗烘干→印刷脚电极银层→烘干→烧银→目测检验→超声清洗烘干→真空镀膜→目测检验→极化→清洗烘干→带宽分选→印刷油墨→烘干→放大检验→酸处理→清洗→油墨清洗→烘干→检测→切割→清洗烘干→检测分档→验收入库

2、器件生产部份

频率抽检→涂助焊剂→焊锡→清洗检验→点蜡→检验→酚醛包封→自然干燥→排蜡固化→打印→烘干剪脚→检测分选→检验包装→验收入库

四、钛酸铅陶瓷片的极化

不同类型的材料，因其矫顽场强，饱和场强，居里温度，电阻温度关系等都有较大的差别，因而极化条件也就不同。

极化条件对发挥压电陶瓷潜在的机电效应有着决定作用。极化前进行热去极化，以及极化的不同冷却方式，对极化效果也有着很大的影响。极化条件一般指：极化温度，极化时间，极化电压等。

下面讲述三次谐波钛酸铅陶瓷的极化条件

1、极化温度

因为温度高时样品中的电偶极子比较容易活动，在电场作用下，比较容易定向排列，所以极化就比较完全，一般采用硅油或变压器油作为媒介物，对它的要求要有良好的绝缘性能。不过，温度太高，样品的绝缘电阻变小而容易被击穿，所以温度也不是越高越好。

根据江阴市华清方正电子有限公司其子公司多年的生产经验，油温一般控制在115℃～120℃为宜。

2、极化电压

极化电压实际上是指在瓷片极化方向单位长度上的电压，也就是极化场强，极化电压越高，促使电畴沿电场方向排列的作用就越大。一般地讲，当外界电场超过压电体的矫顽场强时，压电体的大部份电畴基本完成定向排列，不过需要维持较长的时间，但还不可能充分挖掘其压电性能。为使其充分完成电畴的定向排列，将电压提高到饱和场强当然是最有效的，不过很容易引起陶瓷片的击穿，根据经验表明：江阴市华清方正电子有限公司的基片，最好控制在5000V/mm～6000V/mm

3、极化时间

极化时间长一点，对电畴的定向排列，肯定是有效的，但太长了电性能也改善不了多少，且生产周期的延长，还会影响正常生产。

根据材料本身的绝缘电阻、致密性，均匀性等一般情况下，保持10～15分钟就可以了。

极化操作注意事项

1、真空镀膜后的陶瓷片先要磨边，或油墨印刷及酸洗法，使陶瓷片有一定的留边量，防止极化时产生飞弧，同时经常过滤硅油或定期更换。

2、极化槽内的油温达到设定温度后，再行操作，以保持产品极化的一致性。

3、产品夹在电极中间时，应夹紧夹牢，夹具浸入油槽时，速度要慢，防止陶瓷片因温度突变，发生炸裂。

4、接通高压前，应低压预极化1分钟以上，然后慢慢将电压调到设定值，防止突然加压，使陶瓷片击穿，炸裂等。

5、每天洗除极化台上的杂质，定期检查触发开关，防止带电操作，保障人生安全。