石英晶体
石英晶体
石英简介
石英的化学成分为SiO2，晶体属三方晶系的氧化物矿物，即低温石英（a-石英），是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英（b-石英）。
低温石英常呈带尖顶的六方柱状晶体产出，柱面有横纹，类似于六方双锥状的尖顶实际上是由两个菱面体单形所形成的。石英集合体通常呈粒状、块状或晶簇、晶腺等。纯净的石英无色透明，玻璃光泽，贝壳状断口上具油脂光泽，无解理，摩氏硬度7，比重2.65。受压或受热能产生电效应。
变种
石英因粒度、颜色、包裹体等的不同而有许多变种。无色透明的石英称为水晶，紫色水晶俗称紫晶，烟黄色、烟褐色至近黑色的俗称茶晶、烟晶或墨晶，玫瑰红色的俗称芙蓉石；呈肾状、钟乳状的隐晶质石英称石髓，具不同颜色同心条带构造的晶腺叫玛瑙，玛瑙晶腺内部有明显可见的液态包裹体的俗称玛瑙水胆，细粒微晶组成的灰色至黑色隐晶质石英称燧石，俗称火石。
石英的用途很广。无裂隙、无缺陷的水晶单晶用作压电材料，来制造石英谐振器和滤波器。一般石英可以作为玻璃原料，紫色、粉色的石英和玛瑙还可作雕刻工艺美术的原料。
石英是最重要的造岩矿物之一，在火成岩、沉积岩、变质岩中均有广泛分布。巴西是世界著名的水晶出产国，曾发现直径2.5米、高5米、重达40余吨的水晶晶体
石英晶体振荡器的特点
石英晶体振荡器是高精度和高稳定度的振荡器，被广泛应用于彩电、计算机、遥控器等各类振荡电路中，以及通信系统中用于频率发生器、为数据处理设备产生时钟信号和为特定系统提供基准信号。
一、石英晶体振荡器的基本原理
1、石英晶体振荡器的结构
石英晶体振荡器是利用石英晶体（二氧化硅的结晶体）的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。下图是一种金属外壳封装的石英晶体结构示意图。
2、压电效应
若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形。反之，若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
3、符号和等效电路
石英晶体谐振器的符号和等效电路如图2所示。当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，它的大小与晶片的几何尺寸、电极面积有关，一般约几个PF到几十PF。当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L来等效。一般L的值为几十mH 到几百mH。晶片的弹性可用电容C来等效，C的值很
小，一般只有0.0002～0.1pF。晶片振动时因摩擦而造成的损耗用R来等效，它的数值约为100Ω。由于晶片的等效电感很大，而C很小，R也小，因此回路的品质因数Q很大，可达1000～10000。加上晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
4、谐振频率
从石英晶体谐振器的等效电路可知，它有两个谐振频率，即（1）当L、C、R支路发生串联谐振时，它的等效阻抗最小（等于R）。串联揩振频率用fs表示，石英晶体对于串联揩振频率fs呈纯阻性，（2）当频率高于fs时L、C、R支路呈感性，可与电容C。发生并联谐振，其并联频率用fd表示。
根据石英晶体的等效电路，可定性画出它的电抗—频率特性曲线如图2e所示。可见当频率低于串联谐振频率fs或者频率高于并联揩振频率fd时，石英晶体呈容性。仅在fs＜f＜fd极窄的范围内，石英晶体呈感性。
二、石英晶体振荡器类型特点
石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子（即谐振器和振荡电路组成。晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能。国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（TCXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡（DCXO）等。
普通晶体振荡器（SPXO）可产生10^(-5)～10^(-4)量级的频率精度，标准频率1—100MHZ，频率稳定度是±100ppm。SPXO没有采用任何温度频率补偿措施，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。封装尺寸范围从21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
电压控制式晶体振荡器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量级，频率范围1~30MHz。低容差振荡器的频率稳定度是±50ppm。通常用于锁相环路。封装尺寸14×10×3mm。
温度补偿式晶体振荡器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10^(-7)～10^(-6)量级，频率范围1—60MHz，频率稳定度为±1～±2.5ppm，封装尺寸从30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。
恒温控制式晶体振荡器（OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频率精度是10^(-10)至10^(-8)量级，对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。
三、石英晶体振荡器的主要参数
晶振的主要参数有标称频率，负载电容、频率精度、频率稳定度等。不同的晶振标称频率不同，标称频率大都标明在晶振外壳上。如常用普通晶振标称频率有：48kHz、500 kHz、503.5 kHz、1MHz～40.50 MHz 等，对于特殊要求的晶振频率可达到1000 MHz以上，也有的没有标称频率，如CRB、ZTB、Ja等系列。负载电容是指晶振的两条引线连接IC块内部及外部所有有效电容之和，可看作晶振片在电路中串接电容。负载频率不同决定振荡器的振荡频率不同。标称频率相同的晶振，负载电容不一定相同。因为石英晶体振荡器有两个谐振频率，一个是串联揩振晶振的低负载电容晶振：另一个为并联揩振晶振的高负载电容晶振。所以，标称频率相同的晶振互换时还必须要求负载电容一至，不能冒然互换，否则会造成电器工作不正常。频率精度和频率稳定度：由于普通晶振的性能基本都能达到一般电器的要求，对于高档设备还需要有一定的频率精度和频率稳定度。频率精度从10^(-4)量级到10^(-10)量级不等。稳定度从±1到±100ppm不等。这要根据具体的设备需要而选择合适的晶振，如通信网络，无线数据传输等系统就需要更高要求的石英晶体振荡器。因此，晶振的参数决定了晶振的品质和性能。在实际应用中要根据具体要求选择适当的晶振，因不同性能的晶振其价格不同，要求越高价格也越贵，一般选择只要满足要求即可。
四、石英晶体振荡器的发展趋势
1、小型化、薄片化和片式化：为满足移动电话为代表的便携式产品轻、薄、短小的要求，石英晶体振荡器的封装由传统的裸金属外壳覆塑料金属向陶瓷封装转变。例如TCXO这类器件的体积缩小了30～100倍。
采用SMD封装的TCXO厚度不足2mm，目前5×3mm尺寸的器件已经上市。
2、高精度与高稳定度，目前无补偿式晶体振荡器总精度也能达到±25ppm，VCXO的频率稳定度在10～7℃范围内一般可达±20～100ppm，而OCXO在同一温度范围内频率稳定度一般为±0.0001～5ppm，VCXO 控制在±25ppm以下。
3、低噪声，高频化，在GPS通信系统中是不允许频率颤抖的，相位噪声是表征振荡器频率颤抖的一个重要参数。目前OCXO主流产品的相位噪声性能有很大改善。除VCXO外，其它类型的晶体振荡器最高输出频率不超过200MHz。例如用于GSM等移动电话的UCV4系列压控振荡器，其频率为650～1700 MHz，电源电压2.2～3.3V，工作电流8～10mA。
4、低功能，快速启动，低电压工作，低电平驱动和低电流消耗已成为一个趋势。电源电压一般为3.3V。目前许多TCXO和VCXO产品，电流损耗不超过2 mA。石英晶体振荡器的快速启动技术也取得突破性进展。例如日本精工生产的VG—2320SC型VCXO，在±0.1ppm规定值范围条件下，频率稳定时间小于4ms。日本东京陶瓷公司生产的SMD TCXO，在振荡启动4ms后则可达到额定值的90%。OAK公司的10～25 MHz的OCXO产品，在预热5分钟后，则能达到±0.01 ppm的稳定度。
五、石英晶体振荡器的应用
1、石英钟走时准、耗电省、经久耐用为其最大优点。不论是老式石英钟或是新式多功能石英钟都是以石英晶体振荡器为核心电路，其频率精度决定了电子钟表的走时精度。石英晶体振荡器原理的示意如图3所示，其中V1和V2构成CMOS反相器石英晶体Q与振荡电容C1及微调电容C2构成振荡系统，这里石英晶体相当于电感。振荡系统的元件参数确定了振频率。一般Q、C1及C2均为外接元件。另外R1为反馈电阻，R2为振荡的稳定电阻，它们都集成在电路内部。故无法通过改变C1或C2的数值来调整走时精度。但此时我们仍可用加接一只电容C有方法，来改变振荡系统参数，以调整走时精度。根据电子钟表走时的快慢，调整电容有两种接法：若走时偏快，则可在石英晶体两端并接电容C，如图4所示。此时系统总电容加大，振荡频率变低，走时减慢。若走时偏慢，则可在晶体支路中串接电容C。如图5所示。此时系统的总电容减小，振荡频率变高，走时增快。只要经过耐心的反复试验，就可以调整走时精度。因此，晶振可用于时钟信号发生器。
2、随着电视技术的发展，近来彩电多采用500kHz或503 kHz的晶体振荡器作为行、场电路的振荡源，经1/3的分频得到15625Hz的行频，其稳定性和可靠性大为提高。面且晶振价格便宜，更换容易。
3、在通信系统产品中，石英晶体振荡器的价值得到了更广泛的体现，同时也得到了更快的发展。许多高性能的石英晶振主要应用于通信网络、无线数据传输、高速数字数据传输等。
1. 频率长期稳定度高——不加恒温装置也可以达到1.0*10^(-5)；
2.品质因数Q大，所以频带很窄；
3.对温度敏感度比LC振荡器小，而且有温度系数为0的温度拐点，可以采用恒温装置控制。
石英震荡器的原理
一、引言
尽管石英晶体振荡器的应用已有几十年的历史，但因其具有频率稳定度高这一特点，故在电
子技术领域中一直占有重要的地位。尤其是信息技术（IT）产业的高速发展，更使这种晶体
振荡器焕发出勃勃生机。石英晶体振荡器在远程通信、卫星通信、移动电话系统、全球定位
系统（GPS）、导航、遥控、航空航天、高速计算机、精密计测仪器及消费类民用电子产品
中，作为标准频率源或脉冲信号源，提供频率基准，是目前其它类型的振荡器所不能替代的。
小型化、片式化、低噪声化、频率高精度化与高稳定度及高频化，是移动电话和天线寻呼机
为代表的便携式产品对石英晶体振荡器提出的要求。事实上石英晶体振荡器在发展过程中，也面临像频率发生器这类电路的潜在威胁和挑战。此类振荡器只有在技术上不断创新，才能
延长其寿命周期，在竞争中占有优势。
二、石英晶体振荡器基本结构及工作原理
石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、电压控制晶体
振荡器（VCXO）、恒温控制式晶体振荡器（OCXO）和数字化/μp补偿式晶体振荡器
（DCXO/MCXO）等几种类型。其中，无温度补偿式晶体振荡器是最简单的一种，在日本工
业标准(JIS)中，称其为标准封装晶体振荡器（SPXO）。现以SPXO为例，简要介绍一下石
英晶体振荡器的结构与工作原理。
石英晶体，有天然的也有人造的，是一种重要的压电晶体材料。石英晶体本身并非振荡器，它只有借助于有源激励和无源电抗网络方可产生振荡。SPXO主要是由品质因数（Q）很高
的晶体谐振器（即晶体振子）与反馈式振荡电路组成的。石英晶体振子是振荡器中的重要元
件，晶体的频率（基频或n次谐波频率）及其温度特性在很大程度上取决于其切割取向。石
英晶体谐振器的基本结构、（金属壳）封装及其等效电路如图1所示。
只要在晶体振子板极上施加交变电压，就会使晶片产生机械变形振动，此现象即所谓逆压电
效应。当外加电压频率等于晶体谐振器的固有频率时，就会发生压电谐振，从而导致机械变
形的振幅突然增大。在图1（c）所示的晶体谐振器的等效电路中，Co为晶片
(a)石英晶体振于的结构
（b）金属壳封装示图（c）等效电路
与金属板之间的静电电容；L、C为压电谐振的等效参量；R为振动磨擦损耗的等效电阻。
石英晶体谐振器存在一个串联谐振频率fos（1/2π），同时也存在一个并联谐振频率fop
（1/2π)。由于Co C，fop与fos之间之差值很小，并且R ωOL，R 1/ωOC，所以谐振
电路的品质因数Q非常高（可达数百万），从而使石英晶体谐振器组成的振荡器频率稳定度
十分高，可达10－12/日。石英晶体振荡器的振荡频率既可近似工作于fos处，也可工作在
fop附近，因此石英晶体振荡器可分串联型和并联型两种。用石英晶体谐振器及其等效电路，
取代LC振荡器中构成谐振回路的电感（L）和电容（C）元件，则很容易理解晶体振荡器的工作原理。
SPXO的总精度（包括起始精度和随温度、电压及负载产生的变化）可以达到±25ppm。SPXO 既无温度补偿也无温度控制措施，其频率温度特性几乎完全由石英晶体振子的频率温度特性所决定。在0～70℃范围内，SPXO的频率稳定度通常为20～1000ppm，SPXO可以用作钟频振荡器。
三、温度补偿晶体振荡器（TCXO）
TCXO是通过附加的温度补偿电路使由周围温度变化产生的振荡频率变化量削减的一种石英晶体振荡器。
1 TCXO的温度补偿方式
目前在TCXO中，对石英晶体振子频率温度漂移的补偿方法主要有直接补偿和间接补偿两种类型：
（1）直接补偿型
直接补偿型TCXO是由热敏电阻和阻容元件组成的温度补偿电路，在振荡器中与石英晶体振子串联而成的。在温度变化时，热敏电阻的阻值和晶体等效串联电容容值相应变化，从而抵消或削减振荡频率的温度漂移。该补偿方式电路简单，成本较低，节省印制电路板（PCB）尺寸和空间，适用于小型和低压小电流场合。但当要求晶体振荡器精度小于±1pmm时，直接补偿方式并不适宜。
（2）间接补偿型
间接补偿型又分模拟式和数字式两种类型。模拟式间接温度补偿是利用热敏电阻等温度传感元件组成温度－电压变换电路，并将该电压施加到一支与晶体振子相串接的变容二极管上，通过晶体振子串联电容量的变化，对晶体振子的非线性频率漂移进行补偿。该补偿方式能实现±0.5ppm的高精度，但在3V以下的低电压情况下受到限制。数字化间接温度补偿是在模拟式补偿电路中的温度—电压变换电路之后再加一级模/数（A/D）变换器，将模拟量转换成数字量。该法可实现自动温度补偿，使晶体振荡器频率稳定度非常高，但具体的补偿电路比较复杂，成本也较高，只适用于基地站和广播电台等要求高精度化的情况。
2.TCXO发展现状
TCXO在近十几年中得到长足发展，其中在精密TCXO的研究开发与生产方面，日本居领先和主宰地位。在70年代末汽车电话用TCXO的体积达20 以上，目前的主流产品降至0.4 ，超小型化的TCXO器件体积仅为0.27 。在30年中，TCXO的体积缩小了50余倍乃至100倍。日本京陶瓷公司采用回流焊接方法生产的表面贴装TCXO厚度由4mm降至2mm，在振荡启动4ms后即可达到额定振荡幅度的90％。金石（KSS）集团生产的TCXO频率范围为2～80MHz，温度从－10℃到60℃变化时的稳定度为±1ppm或±2ppm；数字式TCXO的
频率覆盖范围为0.2～90MHz，频率稳定度为±0.1ppm（－30℃～＋85℃）。日本东泽通信机生产的TCO－935/937型片式直接温补型TCXO，频率温度特性（点频15.36MHz）为±1ppm/－20～＋70℃，在5V±5％的电源电压下的频率电压特性为±0.3ppm，输出正弦波波形（幅值为1VPP），电流损耗不足2mA，体积1 ，重量仅为1g。PiezoTechnology生产的X3080型TCXO采用表面贴装和穿孔两种封装，正弦波或逻辑输出，在－55℃～85℃范围内能达到±0.25～±1ppm的精度。国内的产品水平也较高，如北京瑞华欣科技开发有限公司推出的TCXO（32～40MHz）在室温下精度优于±1ppm，第一年的频率老化率为±1ppm，频率（机械）微调≥±3ppm，电源功耗≤120mw。目前高稳定度的TCXO器件，精度可达±0.05ppm。
高精度、低功耗和小型化，仍然是TCXO的研究课题。在小型化与片式化方面，面临不少困难，其中主要的有两点：一是小型化会使石英晶体振子的频率可变幅度变小，温度补偿更加困难；二是片式封装后在其回流焊接作业中，由于焊接温度远高于TCXO的最大允许温度，会使晶体振子的频率发生变化，若不采限局部散热降温措施，难以将TCXO的频率变化量控制在±0.5×10－6以下。但是，TCXO的技术水平的提高并没进入到极限，创新的内容和潜力仍较大。
3.TCXO的应用
石英晶体振荡器的发展及其在无线系统中的应用
（a）
(b)
图2移动通信机电路框图及其TCXO外观
由于TCXO具有较高的频率稳定度，而且体积小，在小电流下能够快速启动，其应用领域重点扩展到移动通信系统。
图2（a）为移动通信机射频（RF）电路框图。TCXO作为基准振荡器为发送信道提供频率基准，同时作为接收通道的第一级本机振荡器；另一只TCXO作为第2级本机振荡器，将其振荡信号输入到第2变频器。目前移动电话要求的频率稳定度为0.1～2.5ppm（－30～＋75℃），但出于成本上的考虑，通常选用的规格为1.5～2.5ppm。移动电话用12～20MHz 的TCXO代表性产品之一是VC－TCXO－201C1，采用直接补偿方式，外观如图2（b）所示，由日本金石（KSS）公司生产。
四、电压控制晶体振荡器（VCXO）
电压控制晶体振荡器（VCXO），是通过施加外部
控制电压使振荡频率可变或是可以调制的石英晶体振荡器。在典型的VCXO中，通常是通
过调谐电压改变变容二极管的电容量来“牵引”石英晶体振子频率的。VCXO允许频率控制范围比较宽，实际的牵引度范围约为±200ppm甚至更大。
如果要求VCXO的输出频率比石英晶体振子所能实现的频率还要高，可采用倍频方案。扩展调谐范围的另一个方法是将晶体振荡器的输出信号与VCXO的输出信号混频。与单一的振荡器相比，这种外差式的两个振荡器信号调谐范围有明显扩展。
在移动通信基地站中作为高精度基准信号源使用的VCXO代表性产品是日本精工·爱普生公司生产的VG－2320SC。这种采用与IC同样塑封的4引脚器件，内装单独开发的专用IC，器件尺寸为12.6mm×7.6mm×1.9mm，体积为0.19 。其标准频率为12～20MHz，电源电压为3.0±0.3V，工作电流不大于2mA，在－20～＋75℃范围内的频率稳定度≤±1.5ppm，频率可变范围是±20～±35ppm，启动振荡时间小于4ms。金石集团生产的VCXO，频率覆盖范围为10～360MHz，频率牵引度从±60ppm到±100ppm。VCXO封装发展趋势是朝SMD 方向发展，并且在电源电压方面尽可能采用3.3V。日本东洋通信机生产的TCO－947系列片式VCXO，早在90年代中期前就应用于汽车电话系统。该系列VCXO的工作频率点是12.8MHz、13MHz、14.5MHz和15.36MHz，频率温度特性±2.5ppm/－30～＋75℃，频率电压特性±0.3ppm/5V±5％，老化特性±1ppm/年，内部采用SMD/SMC，并采用激光束和汽相点焊方式封装，高度为4mm。日本富士电气化学公司开发的个人手持电话系统（PHS）等移动通信用VCXO，共有两大类六个系列，为适应SMT要求，全部采用SMD封装。Saronix 的S1318型、Vectron国际公司的J型、Champion技术公司的K1526型和Fordahi公司的DFVS1－KH/LH等VCXO，均是表面贴装器件，电源电压为3.3V或5V，可覆盖的频率范围或最高频率分别为32～120MHz、155MHz、2～40MHz和1－50MHz，牵引度从±25ppm 到±150ppm不等。MF电子公司生产的T－VCXO系列产品尺寸为5mm×7mm，曾被业内认为是外形尺寸最小的产品，但这个小型化的记录很快被打破。目前新推出的双频终端机用VCXO尺寸仅为5.8mm×4.8mm，并且有的内装2只VCXO。Raltron电子公司生产的VX －8000系
图3压控SAW振荡器内部结构
图4OCXO内部结构示图
列表面贴装VCXO，采用引线封装时高度为0.185英寸，采用扁平封装时仅为0.15英寸，工作频率可在1～160MHz内选择，标准频率调整范围为±100ppm，线性度优于±10％，稳定度优于±25ppm/0～70℃，老化率为±2ppm/年，输出负载达10个LSTTL（单价达10美元以上）。
于1998年7月上市的单价2000日元的UCV4系列压控振荡器（VCO），面向全球移动通信系统（GSM）和个人数字蜂窝电话（PDC），可用频率范围为650～1700MHz，电源电压为2.2～3.3V，尺寸仅为4.8mm×5.5mm×1.9mm，体积为0.05 ，重量0.12g。
日本精工·爱普生公司利用ST切型晶片制作的声表面波（SAW）谐振器（Q≌2000），型号为FS－555，用4.8mm×5.2mm×1.5mm陶瓷容器包封，振荡频率范围达250～500MHz，
频率初始偏差为±25～100ppm，在－20～60℃范围内的频率稳定度是±27ppm，老化率为±10ppm/年。利用FS－555组成的压控SAW振荡器内部结构如图3所示。欲扩大频率调节范围，可加大串联电感Lo的电感量。由于SAW谐振器的频率可达2GHz以上，为压控SAW 振荡器（VCSO）的高频化提供了一条重要途径。
五、恒温控制晶体振荡器（OCXO）
CXO是利用恒温槽使晶体振荡器或石英晶体振子的温度保持恒定，将由周围温度变化引起的振荡器输出频率变化量削减到最小的晶体振荡器，其内部结构如图4所示。在OCXO中，有的只将石英晶体振子置于恒温槽中，有的是将石英晶体振子和有关重要元器件置于恒温槽中，还有的将石英晶体振子置于内部的恒温槽中，而将振荡电路置于外部的恒温槽中进行温度补偿，实行双重恒温槽控制法。利用比例控制的恒温槽能把晶体的温度稳定度提高到5000倍以上，使振荡器频率稳定度至少保持在1×10－9。OCXO主要用于移动通信基地站、国防、导航、频率计数器、频谱和网络分析仪等设备、仪表中。
OCXO是由恒温槽控制电路和振荡器电路构成的。通常人们是利用热敏电阻“电桥”构成的差动串联放大器，来实现温度控制的。具有自动增益控制（AGC）的（C1app）振荡电路，是目前获得振荡频率高稳定度的比较理想的技术方案。
在近几年中，OCXO的技术水平有了很大的提高。日本电波工业公司开发的新器件功耗仅为老产品的1/10。在克服OCXO功耗较大这一缺点方面取得了重大突破。该公司使用应力补偿切割（SCCut）石英晶体振子制作的OCXO，与使用AT切形石英晶体振子的OCXO比较，具有高得多的频率稳定度和非常低的相位噪声。相位噪声是指信号功率与噪声功率的比率（C/N），是表征频率颤抖的技术指标。在对预期信号既定补偿处，以1Hz带宽为单位来测量相位噪声。Bliley公司用AT切形晶体制作的NV45A在补偿点10Hz、100Hz、1kHz和10kHz处的相位噪声分别为100、135、140和145dBc/Hz，而用SC切割晶体制成的同样OCXO，则在所有补偿点上的噪声性能都优于5dBc/Hz。
金石集团生产的OCXO，频率范围为5～120MHz，在－10～＋60℃的温度范围内，频率稳定度有±0.02、±0.03和±0.05ppm，老化指标为±0.02ppm/年和±0.05ppm/年。Oak频率控制公司的4895型4.096～45MHz双恒温箱控制OCXO，温度稳定度仅为0.002ppm（2×10－10）/0～75℃；4895型OCXO的尺寸是50.8mm×50.8mm×38.3mm，老化率为±0.03ppm/年。如果体积缩小一点，在性能指标上则会有所牺牲。Oak公司生产的10～25MHz表面贴装OCXO，频率稳定度为±0.05ppm/0～70℃。PiezoCrystal的275型用于全球定位系统（GPS）的OCXO采用SC切形石英晶体振子，在0～75℃范围内总频偏小于±0.005ppm，最大老化率为±0.005ppm/年。Vectron国际公司的CO－760型OCXO，尺寸为25.4mm见方，高12.7mm，在OCXO产品中，体积算是较小的。随着移动通信产品的迅猛增长，对OCXO的市场需求量会逐年增加。OCXO的发展方向是顺应高频化、高频率稳定度和低相位噪声的要求，但在尺寸上的缩小余地非常有限。
日本金石、始建于1948年的NibonDempaKogyo公司和美国摩托罗位、韩国的Sunny－Emi 等公司，都是生产石英晶体器件较大的厂商。国内生产石英晶体振荡器等元器件的单位有原电子工业部第十研究所、北京707厂、国营第875厂和一些合资企业等。我国对人造石英晶体及其元器件的研究开发起步较早，目前拥有的生产能力也较大。就石英晶体振荡器而言，
与国外先进水平比较，主要是在片式化、小型化、高频化和频率温度特性等方面还存在差距。
尽快缩小这些差距，进一步扩大生产规模，提高产品性价比，是提高在国际市场上竞争力的
必由之路。与此同时，还要跟踪该器件发展的新动向，如，视频发生器等振荡器的研究与应
用。
石英震荡器的特点
石英晶体振荡器有两个端子，属线性元件，无源被动元件。石英谐振器本身没有引起振荡的能力，必须借助外力才能使其振荡，它工作在线性范围内。石英振荡器的Q值非常高，低的有几万，高的有几百万。石英晶体的频率稳定性非常好，在剧烈变化的环境下仍能稳定工作。
石英晶体谐振器的晶体，一般都用人造晶体，因为天然的晶体含有杂质和缺陷。石英晶体的封闭方法有四种，一是金属外壳，用金属底座和盖子，晶体放
入后冷压而成，内部充以惰性气体或抽成真空。二是电阻熔接型，这种方法主要
用小型外壳，在便携电话机和无线机中。三是焊接封闭型，这种方法制作比较容
易，
可获得宽频率、稳定性好的谐振器。四是直接压入，在手表中用的较多。
石英晶体振荡器有两个端子，属线性元件，无源被动元件。石英谐振器本身没有
引起振荡的能力，必须借助外力才能使其振荡，它工作在线性范围内。石英振荡
器的Q值非常高，低的有几万，高的有几百万。石英晶体的频率稳定性非常好，在剧烈变化的环境下仍能稳定工作。
石英晶体谐振器的晶体，一般都用人造晶体，因为天然的晶体含有杂质和缺陷。石英晶体的封闭方法有四种，一是金属外壳，用金属底座和盖子，晶体放
入后冷压而成，内部充以惰性气体或抽成真空。二是电阻熔接型，这种方法主要
用小型外壳，在便携电话机和无线机中。三是焊接封闭型，这种方法制作比较容
易，
可获得宽频率、稳定性好的谐振器。四是直接压入，在手表中用的较多。
石英晶体振荡器有两个端子，属线性元件，无源被动元件。石英谐振器本身没有
引起振荡的能力，必须借助外力才能使其振荡，它工作在线性范围内。石英振荡
器的Q值非常高，低的有几万，高的有几百万。石英晶体的频率稳定性非常好，在剧烈变化的环境下仍能稳定工作。
石英晶体谐振器的晶体，一般都用人造晶体，因为天然的晶体含有杂质和缺陷。石英晶体的封闭方法有四种，一是金属外壳，用金属底座和盖子，晶体放
入后冷压而成，内部充以惰性气体或抽成真空。二是电阻熔接型，这种方法主要
用小型外壳，在便携电话机和无线机中。三是焊接封闭型，这种方法制作比较容
易，
可获得宽频率、稳定性好的谐振器。四是直接压入，在手表中用的较多。
什么叫做真空镀膜
所谓真空镀膜就是置待镀材料和被镀基板于真空室内，采用一定方法加热待镀材料，使之蒸发或升华，并飞行溅射到被镀基板表面凝聚成膜的工艺。在真空条件下成膜可减少蒸发材料的原子、分子在飞向基板过程中于分子的碰撞，减少气体中的活性分子和蒸发源材料间的化学反应（如氧化等），以及减少成膜过程中气体分子进入薄膜中成为杂质的量，从而提供膜层的致密度、纯度、沉积速率和与基板的附着力。通常真空蒸镀要求成膜室内压力等于或低于10-2Pa，对于蒸发源与基板距离较远和薄膜质量要求很高的场合，则要求压力更低。
真空镀膜的种类
在真空中制备膜层，包括镀制晶态的金属、半导体、绝缘体等单质或化合物膜。虽然化学汽相沉积也采用减压、低压
或等离子体等真空手段，但一般真空镀膜是指用物理的方法沉积薄膜。真空镀膜有三种形式，即蒸发镀膜、溅射镀膜和离子镀。
蒸发镀膜通过加热蒸发某种物质使其沉积在固体表面，称为蒸发镀膜。这种方法最早由M.法拉第于1857年提出，现代已成为常用镀膜技术之一。蒸发镀膜设备结构如图1。
蒸发物质如金属、化合物等置于坩埚内或挂在热丝上作为蒸发源，待镀工件，如金属、陶瓷、塑料等基片置于坩埚前方。待系统抽至高真空后，加热坩埚使其中的物质蒸发。蒸发物质的原子或分子以冷凝方式沉积在基片表面。薄膜厚度可由数百埃至数微米。膜厚决定于蒸发源的蒸发速率和时间（或决定于装料量），并与源和基片的距离有关。对于大面积镀膜，常采用旋转基片或多蒸发源的方式以保证膜层厚度的均匀性。从蒸发源到基片的距离应小于蒸气分子在残余气体中的平均自由程，以免蒸气分子与残气分子碰撞引起化学作用。蒸气分子平均动能约为0.1～0.2电子伏。
蒸发源有三种类型。①电阻加热源：用难熔金属如钨、钽制成舟箔或丝状,通以电流,加热在它上方的或置于坩埚中的蒸发物质（图1[蒸发镀膜设备示意图]）电阻加热源主要用于蒸发Cd、Pb、Ag、Al、Cu、Cr、Au、Ni等材料。②高频感应加热源：用高频感应电流加热坩埚和蒸发物质。③电子束加热源：适用于蒸发温度较高（不低于2000[618-1]）的材料，即用电子束轰击材料使其蒸发。
蒸发镀膜与其他真空镀膜方法相比，具有较高的沉积速率，可镀制单质和不易热分解的化合物膜。
为沉积高纯单晶膜层，可采用分子束外延方法。生长掺杂的GaAlAs单晶层的分子束外延装置如图2[ 分子束外延装置示意图]。喷射炉中装有分子束源，在超高真空下当它被加热到一定温度时，炉中元素以束状分子流射向基片。基片被加热到一定温度，沉积在基片上的分子可以徙动，按基片晶格次序生长结晶用分子束外延法可获得所需化学计量比的高纯化合物单晶膜，薄膜最慢生长速度可控制在1单层／秒。通过控制挡板,可精确地做出所需成分和结构的单晶薄膜。分子束外延法广泛用于制造各种光集成器件和各种超晶格结构薄膜。
溅射镀膜用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基片上。溅射现象于1870年开始用于镀膜技术，1930年以后由于提高了沉积速率而逐渐用于工业生产。常用的二极溅射设备如图3[ 二极溅射示意图]。通常将欲沉积的材料制成板材——靶,固定在阴极上。基片置于正对靶面的阳极上,距靶几厘米。系统抽至高真空后充入10～1帕的气体（通常为氩气），在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的靶原子称为溅射原子,其能量在1至几十电子伏范围。溅射原子在基片表面沉积成膜。与蒸发镀膜不同，溅射镀膜不受膜材熔点的限制,可溅射W、Ta、C、Mo、WC、TiC等难熔物质。溅射化合物膜可用反应溅射法，即将反应气体(O、N、HS、CH等)加入Ar气中,反应气体及其离子与靶原子或溅射原子发生反应生成化合物（如氧化物、氮化物等）而沉积在基片上。沉积绝缘膜可采用高频溅射法。基片装在接地的电极上，绝缘靶装在对面的电极上。高频电源一端接地，一端通过匹配网络和隔直流电容接到装有绝缘靶的电极上。接通高频电源后，高频电压不断改变极性。等离子体中的电子和正离子在电压的正半周和负半周分别打到绝缘靶上。由于电子迁移率高于正离子，绝缘靶表面带负电，在达到动态平衡时，靶处于负的偏置电位，从而使正离子对靶的溅射持续进行。采用磁控溅射可使沉积速率比非磁控溅射提高近一个数
真空镀膜
量级。
离子镀蒸发物质的分子被电子碰撞电离后以离子沉积在固体表面，称为离子镀。这种技术是D.麦托克斯于1963年提出的。离子镀是真空蒸发与阴极溅射技术的结合。一种离子镀系统如图4[离子镀系统示意图],将基片台作为阴极，外壳作阳极，充入惰性气体（如氩）以产生辉光放电。从蒸发源蒸发的分子通过等离子区时发生电离。正离子被基片台负电压加速打到基片表面。未电离的中性原子（约占蒸发料的95％）也沉积在基片或真空室壁表面。电场对离化的蒸气分子的加速作用（离子能量约几百～几千电子伏）和氩离子对基片的溅射清洗作用，使膜层附着强度大大提高。离子镀工艺综合了蒸发（高沉积速率）与溅射（良好的膜层附着力）工艺的特点，并有很好的绕射性，可为形状复杂的工件镀膜。
真空离子镀膜
一般没有离子镀膜这样的说法，有离子辅助镀膜，离子溅射镀膜。但是没有单独离子镀膜这个说法。
1，真空蒸发镀膜，就是把材料用一些特定方式液化后，蒸发结晶于镜片表面的方式。离子辅助镀膜是指蒸发过程中，微粒离子化，增加均匀性和附着力和氧化程度的方法。
2，溅射式镀膜，是利用高电压电离某些气体，使之碰撞靶材增加能量，靶材能量到达一定程度喷射出来的镀膜方式。离子溅射镀膜是指在溅射能量来源为离子，并且微粒飞翔过程中有明显离子状态，并使用磁场控制其飞翔轨迹的镀膜方式。
真空镀膜过程均匀性
真空镀膜过程非常复杂，由于镀膜原理的不同分为很多种类，仅仅因为都需要高真空度而拥有统一名称。
所以对于不同原理的真空镀膜，影响均匀性的因素也不尽相同。并且均匀性这个概念本身也会随着镀膜尺
度和薄膜成分而有着不同的意义。我下面分别说一下：
薄膜均匀性的概念：
1.厚度上的均匀性，也可以理解为粗糙度，在光学薄膜的尺度上看（也就是1/10波长作为单位，约为100A），
真空镀膜的均匀性已经相当好，可以轻松将粗糙度控制在可见光波长的1/10范围内，也就是说对于薄膜的
光学特性来说，真空镀膜没有任何障碍。但是如果是指原子层尺度上的均匀度，也就是说要实现10A甚
至1A的表面平整，是现在真空镀膜中主要的技术含量与技术瓶颈所在，具体控制因素下面会根据不同镀
膜给出详细解释。
2.化学组分上的均匀性：就是说在薄膜中，化合物的原子组分会由于尺度过小而很容易的产生不均匀特性，
SiTiO3薄膜，如果镀膜过程不科学，那么实际表面的组分并不是SiTiO3，而可能是其他的比例，镀的膜并
非是想要的膜的化学成分，这也是真空镀膜的技术含量所在。具体因素也在下面给出。
3.晶格有序度的均匀性：这决定了薄膜是单晶，多晶，非晶，是真空镀膜技术中的热点问题，具体见下。
主要分类有两个大种类：蒸发沉积镀膜和溅射沉积镀膜，具体则包括很多种类，包括真空离子蒸发，磁控
溅射，MBE分子束外延，溶胶凝胶法等等
一、对于蒸发镀膜：
一般是加热靶材使表面组分以原子团或离子形式被蒸发出来，并且沉降在基片表面，通过成膜过程（散点
－岛状结构-迷走结构-层状生长）形成薄膜。
厚度均匀性主要取决于：
1。基片材料与靶材的晶格匹配程度
2、基片表面温度
3. 蒸发功率，速率
4. 真空度
5. 镀膜时间，厚度大小。
组分均匀性：
蒸发镀膜组分均匀性不是很容易保证，具体可以调控的因素同上，但是由于原理所限，对于非单一组分镀膜，蒸发镀膜的组分均匀性不好。
晶向均匀性：
1。晶格匹配度
2。基片温度
3。蒸发速率
二.对于溅射类镀膜，可以简单理解为利用电子或高能激光轰击靶材，并使表面组分以原子团或离子形式被溅射出来，并且最终沉积在基片表面，经历成膜过程，最终形成薄膜。
溅射镀膜又分为很多种，总体看，与蒸发镀膜的不同点在于溅射速率将成为主要参数之一。
溅射镀膜中的激光溅射镀膜pld，组分均匀性容易保持，而原子尺度的厚度均匀性相对较差（因为是脉冲溅射），晶向（外沿）生长的控制也比较一般。
以pld为例，因素主要有：
靶材与基片的晶格匹配程度
镀膜氛围（低压气体氛围）
基片温度
激光器功率
脉冲频率
溅射时间
对于不同的溅射材料和基片，最佳参数需要实验确定，是各不相同的，镀膜设备的好坏主要在于能否精确控温，能否保证好的真空度，能否保证好的真空腔清洁度。
MBE分子束外沿镀膜技术，已经比较好的解决了如上所属的问题，但是基本用于实验研究，工业生产上比较常用的一体式镀膜机主要以离子蒸发镀膜和磁控溅射镀膜为主。
真空磁控溅射镀膜原理是什么
磁控溅射原理；电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电
离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片。氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，
溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶原子（或分子）沉积在基片上成膜。二次电子
在加速飞向基片的过程中受到磁场洛仑磁力的影响，被束缚在靠近靶面的等离子体
区域内，该区域内等离子体密度很高，二次电子在磁场的作用下围绕靶面作圆周运
动，该电子的运动路径很长，在运动过程中不断的与氩原子发生碰撞电离出大量的
氩离子轰击靶材，经过多次碰撞后电子的能量逐渐降低，摆脱磁力线的束缚，远离
靶材，最终沉积在基片上。磁控溅射就是以磁场束缚和延长电子的运动路径，改变
电子的运动方向，提高工作气体的电离率和有效利用电子的能量。电子的归宿不仅
仅是基片，真空室内壁及靶源阳极也是电子归宿。但一般基片与真空室及阳极在同
一电势。磁场与电场的交互作用（ E X B drift）使单个电子轨迹呈三维螺旋状，
而不是仅仅在靶面圆周运动。至于靶面圆周型的溅射轮廓，那是靶源磁场磁力线呈
圆周形状形状。磁力线分布方向不同会对成膜有很大关系。在E X B shift机理下
工作的不光磁控溅射，多弧镀靶源，离子源，等离子源等都在次原理下工作。所不
同的是电场方向，电压电流大小而已
磁控溅射镀膜技术
.磁控溅射镀膜技术由于其显著的特点已经得到广泛的应用。但是常规磁控溅射靶表面横向磁场紧紧地束缚带电粒子，使得一镀膜区域的离子密度很低，一定程度上削弱了等离子体膜的优势。通过有意识地增强或削弱其中一个磁极的磁通量。使得磁控溅射靶的磁场不平衡，可以大大提高镀区域的等离子体密度，从而改善镀膜质量，此外还讨论该技术目前的发展状况。
多弧磁控溅射复合离子镀膜技术
多弧磁控溅射复合离子镀膜技术是一种新型的真空离子镀膜技术，它把多弧和磁控溅射两种技术有机地结合在一起，来获得性能更为优异的硬质膜和装饰膜。它的基本原理是：在真空室中利用弧光（或辉光）放电所产生的能量将靶材（钛等金属或合金）直接蒸发（或溅射）离化生成金属离子，并通过电场进行加速与反应气体生成金属化合物，最后沉积在工件表面。与通常的离子镀膜方法相比,除可镀制单一的膜层外（如TiN），还可镀制各种复合多层膜层，乃至纳米叠层膜层，可广泛用于刀刃、模具、钟表、首饰、灯具、建筑五金及装饰用彩色钢板、眼镜架、电子产品、医疗器械、仪器仪表等领域。
离子束辅助镀膜（IAC）技术
1．技术内容及技术关键
离子束辅助镀膜的原理见图1。在真空室中将离子源产生的离子引出，并在电场中加速，形成几十电子伏到几十千电子伏能量的离子束。在离子束溅射沉积、离子束直接沉积或电子束蒸发沉积薄膜的同时，用上述离子束进行轰击（也可先镀膜后轰击）。利用沉积原子和轰击离子之间一系列的物理化学作用，可在常温下合成各种优质薄膜。其关键技术是离子源、靶室和工艺参数的控制。
离子源是产生所需离子的关键部件，它的种类与质量决定着制备膜层的性能和质量。离子源的种类不下二、三十种，用于离子束材料表面改性的也有十多种。目前在这方面用得较多或较好的有：①考夫曼（Kaufman）源，它能产生气体元素的大面积离子束，适合用于离子束溅射镀膜、对膜层进行离子束轰击以及对工件进行离子束表面清洗。②金属蒸气真空电弧放电（MEVVA）离子源，这是近十年来发展起来的新型离子源。它能产生强流金属离子大面积束，适合用于离子束直接镀膜以及金属离子注入。③弗里曼（Freeman）源和伯纳斯（Bernas）源，它们能产生气体和固体元素的离子束，具有狭长形离子发射缝，适用于带粒子分析器的离子注入机及离子束镀膜设备。④微波离子源，该种离子源没有发射电子的灯丝，它依靠微波能量产生离子，因此寿命长，能连续工作100h以上，它既能产生大面积结束，又能产生仄长条束；既能产生气体离子，又能产生固体离子，是一种很有发展前途的离子源。
图1 离子束辅助镀膜装置
a）离子束溅射沉积b）离子束直接沉积c）电子束沉积
靶室是装载工件，进行离子束表面处理的部件，它的容积大小、靶的工件夹具机构及其运动方式，随工件种类的不同，差异很大。目前世界上最大的靶室在英国哈威尔（Harwell）研究中心。其直径和深度均为2.5m，可装载1.5t的大型零件。由于离子束对工件是直射注入，因此为了使非平面零件能均匀注入，零件的夹具必须转动。大零件的夹具还需作X、Y二维移动。为了对零件的孔或斜面进行注入，应采用斜靶。如果零件呈球状，机构的运动方式将更为复杂。通常靶的运动方式可参见图2。
精确控制工艺参数，保证工件表面的沉积原子数与轰击原子数达到一定的比例，对膜层的性能和质量至关重要。其技术关键是要精确控制离子束的能量和束流的稳定性。而束流大小与离子源的放电功率及供气量有关。通常是用质量流量计控制供气量，并通过控制原子源的电源，稳定放电功率，特别是稳定放电电流。只有这样，才能获得高质量的膜层。
2．技术特性及使用范围
由于IAC技术增强膜层与基体的结合力，不是依靠提高基体的温度，而是依靠离子轰击膜层的能量，因此它能在基体接近室温的条件下，获得致密的、结合力很强的、应力极小的高质量膜层。也就是说，IAC技术兼有离子注入和一般镀膜技术（CVD和PVD）的优点，克服了二者的缺点。它们的优缺点比较可见表1。
IAC技术由于具有以上的特点，使得它可在温度不允许很高的基体上，制备出结合力很强的具有各种特殊的膜层，如ZrN、ZrC、BN、TiO2和类金刚石碳膜等。国外已有人将它用于柴油机自动加工用的切削刀具、飞机燃料系统的零件和燃气轮机叶片上。国内亦有单位正在
将它用于提高汽轮机叶片抗水蚀的性能。目前这一新技术的工业应用正在开发之中，予期会
有很好的应用前景。
什么叫反应离子束刻蚀
离子束刻蚀
离子束刻蚀以离子束为刻饰手段达到刻饰目的的技术，其分辨率限制于粒子进入基底以及离子能量耗尽过程的路径范围。离子束最小直径约10nm，离子束刻蚀的结构最小可能不会小于10nm。目前聚焦离子束刻蚀的束斑可达100nm 以下，最少的达到10nm，获得最小线宽12nm的加工结果。相比电子与固体相互作用，离子在固体中的散射效应较小，并能以较快的直写速度进行小于50nm的刻饰，故而聚焦离子束刻蚀是纳米加工的一种理想方法。此外聚焦离子束技术的另一优点是在计算机控制下的无掩膜注入，甚至无显影刻蚀，直接制造各种纳米器件结构。但是，在离子束加工过程中，损伤问题比较突出，且离子束加工精度还不容易控制，控制精度也不够高。
什么是等离子刻蚀
首先是要利用气压为10～1000帕的特定气体（或混合气体）的辉光放电，产生能与薄膜发生离子化学反应的分子或分子基团，生成的反应产物是挥发性的。它在低气压的真空室中被抽走，从而实现刻蚀。通过选择和控制放电气体的成分，可以得到较好的刻蚀选择性和较高的刻蚀速率，但刻蚀精度不高.
光刻\湿刻＼干法刻蚀有何不同
答案一
在芯片制造的过程中，硅片表面图形的形成主要依靠光刻和刻蚀两大模块。众所周知，光刻的目的是在硅片表面形成所需的光刻胶图形，刻蚀则紧接其后精确地将光刻胶的图形转移到衬底或衬底上的薄膜层上。然而越来越小的几何尺
寸使这一目标的达成变得日益困难。通常一个被工程师认可的刻蚀工艺应该包含以下特性：
* 良好的刻蚀速率均匀性，不仅仅是片内的均匀性，还包括片与片之间，批次与批次之间。
* 高选择比，被刻蚀材料的刻蚀速率远大于光刻胶和衬底的损失率。
* 无残留，刻蚀过程中不应生成不挥发的、难以去除的刻蚀副产品和微粒。
* 无损伤，即在刻蚀过程中不应产生任何对衬底、薄膜以及器件的电损伤或等离子损伤。
&n
bsp; * 不会使光刻胶在刻蚀完成后难以去除。
* 可控的良好的侧壁形貌。
* 良好的特征尺寸(Critical Dimension)控制
* 高刻蚀速率，保证流片量。
通常等离子体干法刻蚀有三种形式：等离子体刻蚀、离子轰击和两种形式的结合反应离子刻蚀（Reactive Ion Etching）。下表将给出三种刻蚀的特点。
等离子体刻蚀的优势不仅在于快速的刻蚀速率同时可获得良好的物理形貌，还可以通过对反应气体的选择达到针对光刻胶和衬底的高选择比。但是因为整个过程完全是化学反应所以对材料的刻蚀是各向同性的，随着工艺尺寸的持续缩小，这一缺点愈显突出，使它的应用越来越越受到限制，一般仅用于对特征形貌没有要求的去胶(Ashing)工艺。
离子轰击顾名思义是利用高能量惰性气体离子轰击硅片表面，达到溅射刻蚀的作用。因为采用这种方法所以可以得到非常小的特征尺寸和垂直的侧壁形貌。这是一种“通用”的刻蚀方式，可以在任何材料上形成图形，如钛、金等，可惜离子轰击有其致命弱点：刻蚀速率低下同时选择性比较差，能达到3：1以属罕见。
反应离子刻蚀是上述两种刻蚀方法相结合的产物，它是利用有化学反应性气体产生具有化学活性的基团和离子。经过电场加速的高能离子轰击被刻蚀材料，产生损伤的表面，这进一步加速了活性刻蚀反应基团与被刻蚀材料的反应速率，正是这种化学和物理反应的相互促进使得反应离子刻蚀具有上述两种干法刻蚀所没有的优越性：良好的形貌控制能力(各向异性)；较高的选择比；可以接受的刻速率。正是它的这些优越性使得它成为目前应用范围最为广泛的干法刻蚀，所以现在我们提到的干法刻蚀一般都是指反应离子刻蚀。
当刻蚀气体被通入刻蚀反应腔中，在射频电场的作用下产生等离子体辉光放电，反应气体分解成各种中性的化学活性基团，分子、电子、离子；由于电子和离子的质量不同使得质量较轻的电子能够响应射频电场的变化而离子却不能，正是这种差异在电极上产生负偏压Vdc(Negative DC bias) ，离子在负偏压的加速下轰击硅片表面形成反应离子刻蚀；一个持续的干法刻蚀必须要满足这些条件：在反应腔内有源源不断的自由基团；硅片必须靠等离子体足够近以便反应基团可以扩散到其表面；反应物应被硅片表面吸附以持续化学反应；挥发性的生成物应可从硅片表面解吸附并被抽出反应腔。上面的任一种条件末达到刻蚀过程都会中断。刻蚀的具体过程可描述为如下六个步骤：
1. 刻蚀物质的产生；
射频电源施加在一个充满刻蚀气体的反应腔上，通过等离子体辉光放电产生电子、离子、活性反应基团。
2. 刻蚀物质向硅片表面扩散；
3. 刻蚀物质吸附在硅片表面上；
4. 在离子轰击下刻蚀物质和硅片表面被刻蚀材料发生反应；
5. 刻蚀反应副产物在离子轰击下解吸附离开硅片表面；
6. 挥发性刻蚀副产物和其它未参加反应的物质被真空泵抽出反应腔；
整个过程中有诸多的参数影响刻蚀工艺，其中最重要的是：压力、气体比率、气体流速、射频电源（RF POWER）。另外硅片的位置和刻蚀设备的结构也会对刻蚀工艺，因此在实际生产中，针对不同的刻蚀膜质设备厂家设计不同的设备，提供不同的气体配比以达到工艺要求
答案2
蚀刻(Etching)
蚀刻的机制，按发生顺序可概分为「反应物接近表面」、「表面氧化」、「表面反应」、「生成物离开表面」等过程。所以整个蚀刻，包含反应物接近、生成物离开的扩散效应，以及化学反应两部份。整个蚀刻的时间，等于是扩散与化学反应两部份所费时间的总和。二者之中孰者费时较长，整个蚀刻之快慢也卡在该者，故有所谓「reaction limited」与「diffusion limited」两类蚀刻之分。
1、湿蚀刻
最普遍、也是设备成本最低的蚀刻方法，其设备如图2-10所示。其影响被蚀刻物之蚀刻速率(etching rate) 的因素有三：蚀刻液浓度、蚀刻液温度、及搅拌(stirring) 之有无。定性而言，增加蚀刻温度与加入搅拌，均能有效提高蚀刻速率；但浓度之影响则较不明确。举例来说，以49%的HF蚀刻SiO2，当然比BOE (Buffered-Oxide- Etch；HF：NH4F =1：6) 快的多；但40%的KOH蚀刻Si的速率却比20%KOH慢！湿蚀刻的配方选用是一项化学的专业，对于一般不是这方面的研究人员，必须向该化学专业的同侪请教。一个选用湿蚀刻配方的重要观念是「选择性」(selectivity)，意指进行蚀刻时，对被蚀物去除速度与连带对其他材质(如蚀刻掩膜；etching mask，或承载被加工薄膜之基板；substrate ) 的腐蚀速度之比值。一个具有高选择性的蚀刻系统，应该只对被加工薄膜有腐蚀作用，而不伤及一旁之蚀刻掩膜或其下的基板材料。
(1)等向性蚀刻(isotropic etching)
大部份的湿蚀刻液均是等向性，换言之，对蚀刻接触点之任何方向腐蚀速度并无明显差异。故一旦定义好蚀刻掩膜的图案，暴露出来的区域，便是往下腐蚀的所在；只要蚀刻配方具高选择性，便应当止于所该止之深度。
然而有鉴于任何被蚀薄膜皆有其厚度，当其被蚀出某深度时，蚀刻掩膜图案边缘的部位渐与蚀刻液接触，故蚀刻液也开始对蚀刻掩膜图案边缘的底部，进行蚀掏，这就是所谓的下切或侧向侵蚀现象(undercut)。该现象造成的图案侧向误差与被蚀薄膜厚度同数量级，换言之，湿蚀刻技术因之而无法应用在类似「次微米」线宽的精密制程技术！
(2)非等向性蚀刻(anisotropic etching)
先前题到之湿蚀刻「选择性」观念，是以不同材料之受蚀快慢程度来说明。然而自1970年代起，在诸如Journal of Electro-Chemical Society等期刊中，发表了许多有关碱性或有机溶液腐蚀单晶硅的文章，其特点是不同的硅晶面腐蚀速率相差极大，尤其是<111>方向，足足比<100>或是<110>方向的腐蚀速率小一到两个数量级！因此，腐蚀速率最慢的晶面，往往便是腐蚀后留下的特定面。
这部份将在体型微细加工时再详述。
2、干蚀刻
干蚀刻是一类较新型，但迅速为半导体工业所采用的技术。其利用电浆(plasma) 来进行半导体薄膜材料的蚀刻加工。其中电浆必须在真空度约10至0.001 Torr 的环境下，才有可能被激发出来；而干蚀刻采用的气体，或轰击质量颇巨，或化学活性极高，均能达成蚀刻的目的。
干蚀刻基本上包括「离子轰击」(ion-bombardment)与「化学反应」(chemical reaction) 两部份蚀刻机制。偏「离子轰
石英晶体的简介
【摘要】石英晶体具有压电特性、各向异性、双折射现象等等的化学物理特性，能应用于石英钟、温度计、压力指示器、加速度计等方面，是现代电子技术不可或缺的一部分。关键词：石英晶体、特性、不可或缺 【Abstract】Quartz crystals have piezoelectric properties, anisotropic, double refraction phenomenon and so on the physical and chemical properties, can be applied to the quartz clock, thermometer, pressure indicator, accelerometer, modern electronic technology, is an indispensable part of. 随着时代的发展，科技的进步，技术的创新，越来越多的新产品被人们制造出来。人们运用已知的知识，踏着先人的脚步，不断地创新，不断地前进，以期能够使人们的生活变得越加的便利，质量越加的好。 此次我以石英晶体为例，为各位阐述科技创新的证据。那么何为石英晶体呢？石英是由硅和氧两种元素组成，根据不同用途，将石英晶棒按照特定的晶向切割成晶片，即可制成石英晶体。在常温下不同温度时，石英晶体的结构不同，温度T<573℃时是α石英晶体，当573℃ 石英晶体谐振式传感器 以石英晶体谐振器作为敏感元件的谐振式传感器。石英晶体谐振器是用石英晶体经过适当切割后制成，当被测参量发生变化时，它的固有振动频率随之改变，用基于压电效应（见压电式传感器）的激励和测量方法就可获得与被测参量成一定关系的频率信号。石英晶体谐振式传感器的精度高，响应速度较快，常用于测量温度和压力。 石英晶体温度-频率传感器早期的石英晶体温度-频率传感器采用具有非线性温度－频率特性的石英晶体谐振器制作。在发现具有线性温度－频率特性的石英晶体切型后，这种温度传感器的谐振器采用LC切型的平凸透镜石英晶体块制成，其直径约为数毫米，凸面曲率半径约为100毫米以上。谐振器封装于充氦气的管壳内,在传感器电路中利用它的压电效应和固有振动频率随温度变化的特性构成热敏振荡器，它的基本谐振频率为28兆赫。电路中另有一个振荡频率为2.8兆赫的基准振荡器,它通过十倍频后输出一个28兆赫的参照频率。两个振荡器的输出经门电路相加送往混频器得到差频输出信号，它是被测温度与基准温度（即基准振荡器的温度）之差与1000赫／℃（温度系数）的乘积，因此该差频输出信号记录了被测温度的变化。由时间选择开关产生不同的时间控制信号作为选通脉冲，以获得不同的分辨率。线性石英晶体－频率传感器可用于热过程流动速度不高、间隔时间较长的各种高精度温度测量的场合以及多路遥控系统、水底探测等方面，还可用它制成高分辨率的直读式数字自动温度计。 石英晶体谐振式压力传感器这种传感器所采用的谐振器是用厚度 切变振动模式AT切型石英晶体制作的。谐振器可制成包括圆片形振子和受力机构的整体式或分离式结构。振子有扁平形、平凸形和双凸形三种，受力机构为环绕圆片的环形或圆筒形。图2是振子和圆筒为整体式结构的谐振器的结构图。振子和圆筒由一整块石英晶体加工而成，谐振器的空腔被抽成真空，振动两侧上各有一对电极。圆筒和端盖严格密封。石英圆筒能有效地传递周围的压力。当电极上加以激励电压时，利用逆压电效应使振子振动，同时电极上又出现交变电荷，通过与外电路相连的电极来补充这种电和机械等幅振荡所需的能量。当石英振子受静态压力作用时，振动频率发生变化，并且与所加压力成线性关系。在此过程中 石英晶体基础知识 目录 一、石英晶体的基本知识 (2) 1、化学物理特性 (2) 2、石英晶体的振动模式 (3) 3、石英晶片的切型 (5) 二、AT 石英谐振器的特性 (8) 1、频率方程 (8) 2、AT 切石英谐振器的频率温度特性 (8) 三、AT 切石英谐振器的加工制造 (15) 1、X 光定向粘板 (15) 2、石英晶片切割 (16) 3、X 光测角 (17) 4、粘砣，切籽晶及改圆 (17) 5、研磨 (18) 6、滚筒倒边 (18) 7、石英片的腐蚀 (19) 8、镀基膜 (19) 9、石英晶体的装架 (20) 10、微调 (22) 11、真空烘烤和封装 (22) 12、密封性能检查 (23) 13、石英谐振器的老化 (23) 14、石英谐振器的测试 (23) 一、石英晶体的基本知识 1、化学物理特性 ①水晶的成份SiO2，在常压下不同温度时，石英晶体的结构不同，温度T＜573 ℃时α石英晶体，当573℃＜T＜870℃时β石英晶体，熔点是1750℃，我们通常说的压电石英晶体指α石英晶体。 ②具有压电特性： 发现 压电效应： 某些介质由于外界机械作用（如压缩，拉伸等等）而在其内部发生极化， 产生表面电荷的现象叫压电效应。 逆压电效应： 某些介质置于外电场中，由于电场的作用，会引起介质内部正负电荷中 心的位移，导致介质发生形变，这种效应称为逆压电效应。 石英晶体在沿X 轴（或Y 轴）方向的力的作用时，在X 方向产生压电效应，而Y 和Z 方向不产生压电效应，X 轴称为电轴，Y 轴称为机械轴。 ③具有各向异性：石英晶体是一种良好的绝缘材料，导热系数在室温附近，沿Z 轴方向是垂直于Z 轴方向的2 倍左右，沿Z 轴方向的线性膨胀系数a3 约为沿 垂直于Z 轴方向线性膨胀系数a1 的1/2，其介电系数ε，压电系数d 等随方向 的不同其数值也不同，在不同温度，导热系数K 与膨胀系数a 的数值也不同。 ④是外形高度对称的单晶体，其特征是原子和分子有规则的排列发育良好的石英 晶体，外形最显著的特点是晶面有规则的配置，石英晶体的晶面共30 个，六 个m 面（柱面），六个R 面（大棱面）六个r 面（小棱面）六个s 面（三方偏锥面)，六个X 面（三方偏面），相邻M 面的夹角度为60°，相邻M 面和R 面的夹角与相邻M 面和r 面的夹角都等于38°13′，相邻s 面与X 面的夹角 为25°57′。 晶振基础知识（第一版） 摘要：本文简单介绍了晶体谐振器和晶体振荡器的结构，工作原理，振荡器电路的分类，晶体振荡器的分类，晶振类器件的主要参数指标和石英晶体基本生产工艺流程。 一、振荡电路的定义，构成和工作原理 (2) 二. 晶体振荡器分类： (16) 三、石英晶体谐振器主要参数指标 (19) 四、石英晶体振荡器主要参数指标 (20) 五．石英晶体基本生产工艺流程 (26) 一、振荡电路的定义，构成和工作原理 1. 振荡器：不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路，通常也被成为。 2. 振荡器构成：谐振器（选频或滤波）+驱动（谐振）电路构成振荡器电路。 3. 谐振器的种类有：RC 谐振器，LC 并联谐振器，陶瓷谐振器，石英（晶体）谐振器，原子谐振器，MEMS （硅）振荡器。本文只讨论石英晶体谐振器。 石英谐振器的结构 石英谐振器，它由石英晶片、电极、支架和外壳等部分组成。它的性能与晶片的切割方式、尺寸、电极的设置装架形式，以及加工工艺等有关。其中，晶片的切割问题是设计时首先要考虑的关键问题。由于石英晶体不是在任何方向都具有单一的振动模式（即单频性）和零温度系数，因此只有沿某些方向切下来的晶片才能满足设计要求。 Mounting clips Top view of cover Resonator 普通晶振内部结构 石英晶体振荡器主要由基座、晶片、IC 及外围电路、陶瓷基板（DIP OSC ）、上盖组成。 普通晶体振荡器原理图 胶点 基座 晶片 Bonding 线 IC 4. 振荡电路的振荡条件： （1）振幅平衡条件是反馈电压幅值等于输入电压幅值。根据振幅平衡条件，可以确定振荡幅度的大小并研究振幅的稳定。 （2）相位平衡条件是反馈电压与输入电压同相，即正反馈。根据相位平衡条件可以确定振荡器的工作频率和频率的稳定。 （3）振荡幅度的稳定是由器件非线性保证的，所以振荡器是非线性电路。 （4）振荡频率的稳定是由相频特性斜率为负的网络来保证的。 （5）振荡器的组成必须包含有放大器和反馈网络，它们必须能够完成选频、稳频、稳幅的功能。（6）利用自偏置保证振荡器能自行起振，并使放大器由甲类工作状态转换成丙类工作状态。 晶振基础知识 晶振基础知识（第一版） 摘要：本文简单介绍了晶体谐振器和晶体振荡器的结构，工作原理，振荡器电路的分类，晶体振荡器的分类，晶振类器件的主要参数指标和石英晶体基本生产工艺流程。 一、振荡电路的定义，构成和工作原理 (3) 二. 晶体振荡器分类： (23) 三、石英晶体谐振器主要参数指标 (27) 四、石英晶体振荡器主要参数指标 (30) 五．石英晶体基本生产工艺流程 (43) 一、振荡电路的定义，构成和工作原理 1. 振荡器：不需外加输入信号，便能自行产生输出信号的电路，通常也被成为。 2. 振荡器构成：谐振器（选频或滤波）+驱动（谐振）电路构成振荡器电路。 3. 谐振器的种类有：RC谐振器，LC并联谐振器，陶瓷谐振器，石英（晶体）谐振器，原子谐振器，MEMS（硅）振荡器。本文只讨论石英晶体谐振器。石英谐振器的结构 石英谐振器，它由石英晶片、电极、支架和外壳等部分组成。它的性能与晶片的切割方式、尺寸、电极的设置装架形式，以及加工工艺等有关。其中，晶片的切割问题是设计时首先要考虑的关键问题。由于石英晶体不是在任何方向都具有单一的振动模式（即单频性）和零温度系数，因此只有沿某些方向切下来的晶片才能满足设计要求。 普通晶振内部结构 Base Mounting clips Bonding area Electrodes Quartz blank Cover Seal Pins Top view of cover Metallic electrodes Resonator plate substrate (the “blank”) 石英晶体原理,特性,参数,应用及使用注意事项介绍 来源:网络作者:未知字号:[大中小] 石英晶体原理,特性,参数,应用及使用注意事项介绍 石英晶体等效电路 Vibration of a crystal unit is actually mechanical vibration．However．the crystal unit can be expressed by a two—terminal network if its behavior is electrically converted．The series circuit consisting of L1．C1．and R1 is related to elastic vibration．while the element C0 connected in parallel to the series arm as a capacitance attributable to the dielectric body of a quartz crystal plate．The resistance R1 is a resonance resistance of the crystal unit at the series resonance frequency．(See Fig.1.) 石英晶体谐振器的振动实质上是一种机械振动。实际上，石英晶体谐振器可以被一个具有电子转换性能的两端网络测出。这个回路包括L1、C1，同时C0作为一个石英晶体的绝缘体的电容被并入回路，与弹性振动有关的阻抗R1是在谐振频率时石英晶体谐振器的谐振阻抗。(见图1) 石英晶体的频率-温度特性 To use a crystal unit as an oscillator．its oscillated frequency is required to be stable against temperature variations．A quartz crystal has crystallographic axes．and crystal cut is defined according to the cutting angle against a crystallographic axis and its associated mode of vibration．-Typical types of crystal cut and frequency—temperature characteristics are shown in Fig.2. 压电石英称重传感器及其在动态公路 车辆称重系统中的应用 中国运载火箭技术研究院第七○二研究所 刘九卿 【摘 要】本文介绍了以石英晶体为敏感元件的压电石英称重传感器的工作原理、结构与特点；石英晶体的压电效应，压电石英晶体片的并联、串联连接方法，电荷电压计算；石英晶体片的装配要求和装配工艺；石英晶体敏感元件与电阻应变计的性能比较。分析了利用多个石英晶体敏感元件组装的工字梁型动态称重传感器的结构与技术特点及其在动态公路车辆称重系统中的应用。 【关键词】石英晶体 压电效应 称重传感器 电荷放大器 动态称重 轴重秤 一、概述 尽管早在1908年Pierre（皮埃尔）和Jacguse Curie（雅克卡里）就发现了石英晶体的压电效应，但是用于动态力的测量还是20世纪60年代。当时由苏黎世的瑞士联邦技术研究所研制出压电石英测力传感器，并利用它制成风洞天平，对空气动力进行测量。瑞士联邦工学院和德国Aachen大学分别利用石英晶体研制出刚性非常好的三分量测力传感器，用来测量机床的切削力。 20世纪70年代扩展了压电石英三分量测力系统，用来测量六个分量和计算力作用点的座标；军事工程部门用于测量火箭推力向量（力的大小、方向和位置）；汽车工业部门用于测量轮胎的附着力；生物力学领域用于运动矫形术、整形和姿态控制。 20世纪80年代在汽车制造业中压电石英测力传感器用于测量汽车点火压力，汽车碰撞的冲击力。利用二分量测力传感器同时测量汽车检测平台的垂直力和水平力，将压电石英测力传感器埋在路面下，测量汽车轮胎与路面之间的接触力。 20世纪90年代公路车辆轴载超限越来越严重，已成为世界难题。在公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警和轴载动态称重计量中，迫切需要体积小、高度低、重量轻，刚度大，固有频率高，动态范围广，灵敏度高的动态称重传感器和动态公路车辆称重系统。压电石英晶体敏感元件及其组装的压电石英称重传感器就具备上述特点。瑞士Kistler（奇石乐）公司开发出可以埋在路面下的以石英晶体为敏感元件的工字梁型动态称重传感器，用于公路车辆轴载超载预判，桥梁超载报警，隧道保护和车辆轴载计量，取得了很好的应用效果。这种压电石英称重传感器已在美国、英国、德国、澳大利亚、韩国、日本等许多国家广泛应用。1993年7月在苏黎世的瑞士联邦技术研究所，根据欧 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 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 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=k 1x ﹎﹍(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； 石英晶体谐振器基本知识介绍 1、石英晶体谐振器简介 石英晶体谐振器是一种用于稳定频率和选择频率的重要电子元件。在有线通讯、无线通讯、广播电视、卫星通讯、电子测量仪器、微机处理、数字仪表、钟表等各种军用和民用产品中得到了日益广泛的应用。我公司的石英晶体谐振器不仅广泛应用于国家重点军事及航天工程中，也为“神舟”系列飞船及其运载火箭进行了多次成功配套。 2、石英晶体谐振器名词术语 1) 标称频率：晶体元件技术规范中规定的频率，通常标识在产品外壳上，它与晶体元件的实际工作频率有一定的差值。 2) 工作频率：晶体元件与其电路一起产生的振荡频率。 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最大偏差。 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℃）时工作频率的允许最大偏差。 5) 温度总频差：在规定条件下，在工作温度范围内相对于标称频率的允许最大偏差。 6) 等效电阻（ESR，Rr，R1）：又称谐振电阻。在规定条件下，石英晶体谐振器不串联负载电容在谐振频率时的电阻。 7) 负载谐振电阻（RL）：在规定条件下，石英晶体谐振器和负载电容串联后在谐振频率时的电阻。 8) 静电容（C0）：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容。 9) 负载电容（C L）：从石英晶体谐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晶体谐振器的负载电容。负载电容系列是：8pF、12pF、15pF、20pF、30pF、50pF、100pF。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调整，负载电容太大时杂散电容影响减少，但微调率下降；负载电容小时、微调率增加，但杂散电容影响增加，负载电阻增加，甚至起振困难。负载电容标为∞即为串联谐振。10) 频率牵引灵敏度（Ts）：为相对频率牵引范围对负载电容的变化率，即负载电容变化1pF时频率的相对变化值，它反映改变负载电容时引起频率变化的灵敏度，也称频率可调性。 11) 激励电平：为石英晶体谐振器工作时消耗的有效功率。常用标准有0.1、0.3、0.5、1、2mW，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，实际使用中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裂，降低激励，频率老化可以改善，但激励太弱时频率瞬间变差，甚至不易起振。 石英晶体 英 体 应用与可靠性 什么是石英晶振？？？ 什么是石英晶振？ HC-49U石英晶体的结构 石英晶体的(简化)理論模型 综述 压电石英晶体传感器及其在生物医学中的应用研究进展* 刘楠综述,高志贤**审校 摘要 目的就压电石英晶体传感器及其生物医学中的应用研究进展作了综述。方法 查阅资料,汇总分析。结 果 从压电石英晶体传感器的基本工作原理、生物敏感膜的制备技术、在生物医学中的应用、存在的问题和展望等各个 方面进行了讨论。结论 虽然压电石英晶体传感器仍存在许多不足,但随着认识的不断深入和关键工艺技术瓶颈的不 断克服,加上与其他先进的科学技术相结合,它必然广泛地应用到生物医学的各个领域中。 关键词 压电石英晶体传感器;石英晶体微天平 中图分类号:Q331 文献标识码:A 文章编号:1001-1889(2005)02-0089-04 The application of PQC sensor in biomedicine LI U Nan,GAO Zhi-Xian (Institute of Hygiene and En viron mental Medicine,Aca dem y o f Military Medical Sciences,Tian jin300050) Abstract Objective Recent research of piezoelectric quartz crystal(PQC)sensor and its applications in bi omedicine were summarized in this review.Methods Consulted data and collected them for analysis.Results Aspects of basic principles,construction of the sensi tive membrane,applications in biomedicine,some problems and future prospects of the PQC sensor were discussed.Conclu sions In spi te of the faults of PQC sensor,it is consequentially widely used in various biomedical fields along with the deep cogni tion, the breakthrou gh of the bottle-neck of the key technology and integrating with other advanced scientific technology. Key w ords Piezoelectric Quartz Crystal(PQC)sensor;Quartz Crystal Microbalance(QCM) 压电生物传感器是一种将高灵敏的压电传感器技术与特异的生物反应结合,通过换能器将生物信号转化为易于定性或定量检测的物理或化学信号的新型生物检测分析方法。压电石英晶体传感器是当今微电子技术、生物医学技术、新材料技术相互结合发展的产物。它设备操作简单、成本低廉,不需要任何标记;而且还具有灵敏度高、特异性好、微型化、响应迅速等特点,代表着现代分析技术的前进方向。在生物医学的各个领域,如:分子生物学、疾病的诊断和治疗、环境污染监测、食品卫生监督等得到了广泛的应用。 1 基本工作原理 1959年,Sauerbrey根据石英晶体在气相中谐振的理论模型,忽略涂覆膜层相对于石英的弹性和密度差异,将晶体谐振近似考虑为理想剪切振动,推导出沉积在PQC上的质量变化与谐振频移之间的方程式[1]: f=-2f02 m/A( q q)-1=-C m[1] f:晶体谐振频率的改变(Hz);f0:基振(Hz); m:质量变化(g);A:压电活性区域或电极上涂覆物表面 *国家自然科学基金(30371218)和国家863青年基金(2004AA649110)资助课题;**通讯作者。 作者单位:军事医学科学院卫生学环境医学研究所(天津 300050) 作者简介:刘楠(1980-),男,河南南阳人,硕士研究生。积(c m2); q:晶体剪切模式; q晶体密度;C:质量感应常数(由所使用的石英晶体类型决定)。 Sauerbrey方程是质量型压电石英晶体传感器的理论基础,从方程中可以看出,压电石英晶体谐振频率的改变与晶体表面质量负载的变化呈负相关。所以有学者又把它称为压电石英微天平(Piezoelec tric Quartz Mi crobalance,PQM)、压电石英晶体微天平(Piezoelectric Quartz C rystal Microbalance,PQC M)或石英晶体微天平(Quartz C rystal Microbalance,QC M)。但是必须认识到,压电传感除了有质量效应外,还存在更多的非质量效应,如密度、应力、粘弹性、电导率、溶胀、表面性状等介质或界面效应[2]。PQC传感器由石英谐振器(探头)、振荡器、信号检测和数据处理系统等组成原理如图1 。 图1 压电石英晶体传感器基本工作原理示意图 水晶灯的基本知识 一、水晶常识 1.国内市场水晶灯的概况： 在国内水晶灯市场有一部分不良厂商用残次的玻璃制品拿来充当优质的水晶灯制品，特别是有一种被称为K9型的玻璃制品，用之制作的水晶制品看起来非常的透明，可以刻字，可以切割，可是人们往往却忽略了其硬度低，手感轻，不透射出彩色，等缺点，每公斤成本只有10元多人民币，可是制作完成后投放到市场上的价格就在上千元左右，而且使用寿命非常的短暂。 2. 矿物学特征：( a Q5 a0 b, @1 O5 J 石英是自然界中最常见又最主要的矿物之一，品种几多，按结晶程度可划分显晶质石英和隐晶质石英。石英晶石则是石英族矿物中重要的显晶质种类，其品种多呈柱状、粒状，并有一定机和图形的石英晶体。通常为无色，有时因含有杂质和包裹体而成紫色、茶色至黑色等不同颜色的品种。红色、绿色较罕见。透明半透明、比例光泽。硬度7，比重2.58、265。 3. 要注意色泽是否持久 水晶灯的寿命是有所不同的。一般高品质的水晶灯要比低品质的水晶灯的寿命更加的长。我们在购买水晶灯的时候要先看是否有七彩的效果，然后再看一看它的镀金层，一般高档的金属配件多为电镀24K金，这种镀金层几年都不会变色，也不会生锈，低档的则达不到这种效果，两三个月便会失去原来的色泽。低档的水晶灯过一段时间后，颜色便会发暗，支架出现锈迹，而高档的则两三年甚至更长时间都不会变色。 4.选好水晶灯水晶球是关键 水晶灯之所以能够璀璨闪烁，主要是水晶球的纯度和切割面以及含铅量。因而消费者在选购时就要看一看水晶球有没有裂痕、气泡、水波纹和杂质，只有晶莹通透的水晶球才可以发挥光学的最佳效能，使穿过的光折射出瑰丽色彩；而在水晶球的切割面上要看它是否光滑，棱角是否分明，从而让水晶球的折射效果达到最好；而从含铅量来讲，一般高品质的水晶球，都会采用全铅水晶，氧化铅含量不少于30%，这是一种最纯净的原料，能发出璀璨的色彩 二、市场上比较受欢迎的品种 1.史特劳斯珠 史特劳斯珠：在世界水晶灯市场都是享有盛名的，进口水晶八角珠32个面，奥地利史特劳斯八角珠40个面、球珠224个切割面，含铅量高，其制作而成的水晶制品；切割面均匀，无气泡和杂质，透明清澈，颜色亮丽，折射出五颜六色的光彩，折射效果好且不易断裂脱落； 石英晶體振盪器介紹 Index 1) 石英晶片(Quartz)振盪原理 石英晶體 石英晶體的壓電特性 石英晶體的壓電特性 石英晶体谐振器应用 石英晶体谐振器的应用利用电信号频率等于石英晶片（或棒）固有频率时晶片因压电效应而产生谐振现象的原理制成的器件。它由石英晶片（或棒）、电极、支架和外壳等构成，在稳频、选频和精密计时等方面有突出的优点，是晶体振荡器和窄带滤波器等的关键元件。 石英晶体谐振器根据其外型结构不同可分为49U、49U/S、49U/S、1、5及柱状晶体等。 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。 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。 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。 石英晶体谐振器应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。 "信号源+电平表"功能由网络分析仪完成 Ri、R0：仪器内阻：一般为50Ω R1--滤波器输入端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去50Ω。 R2--滤波器输出端外接阻抗，阻抗值为匹配阻抗减去50Ω。 在滤波器条件的匹配阻抗中有时有并接电容要求，应按上图连接。 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 东北石油大学 课程设计 2014年7 月15日 任务书 课程传感器课程设计 题目石英晶体传感器应用电路设计 专业测控技术与仪器姓名学号 主要内容： 本设计对利用石英晶体构成温度的传感器的方法做出较深入的研究，结合其他热敏电阻的特点进行详细的比较，并对石英晶体传感器的原理及石英晶体传感器原理做出详细的介绍，并结合单片机实现温度测量系统。 基本要求： 1．分析石英晶体传感器应用电路设计方案； 2．分析设计中各个电路的工作原理； 3．详细说明所选用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、注明元器件选取参数。 4．设计思路清晰明确，原理分析简单，电路结构完整。 主要参考资料： [1] 曾兴雯、刘乃安、陈建.高频电路原理与分析[M].西安：电子科技大学出版社，2007.37-97. [2] 马洛夫著．翁善臣译.压电谐振传感器[M] .北京：国防工业出版社，1984.47-61. [3] 姚守拙.压电化学与生物传感器[M].湖南：湖南师范大学出版社，1997.39-41. [4] 陈小林，王祝盈，谢中等.石英晶体温度传感器的应用[J].传感器技术，2002(5)：55-57 [5] 谢胜秋，宋国庆.谐振式水晶温度传感器的现状及发展预测[J].传感器技术，2002（2）：1-4 完成期限2014.7.11—2014.7.15 指导教师 专业负责人 2014年7 月10 日 摘要 温度测量是工业生产中的一个重要环节。采用石英晶体作为温度传感器，利用石英晶体对温度的灵敏度高、线性度好等优点，本设计结合其他热敏电阻的特点进行了详细的比较，并介绍了谐振式石英晶体温度传感器的基本原理，给出了用单片机测量温度的基本电路，分析了测量算法，给出了软件流程图。以80C552 单片机为控制核心，实现了石英晶体温度传感器的数字温度计技术。实验结果表明，系统设计合理、工作稳定可靠、温度测量精度高。同时给出了温度测量系统的硬件结构和软件设计。 关键词：石英晶体；温度敏感性；单片机；数字滤波 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 石英晶体基本常识 一、基础概念 1、石英晶体谐振器:利用石英晶体的逆电压效应制造具有选择频率和稳定频率的无线电元件。 电介质由于外界的机械作用，(如压缩?伸拉)而在其內部产生变化，产生表面电荷的现象，叫压电效应，如果将具有压电效应的介质至于外电场中，由于电场的作用，会引起介质內部正负电荷中心位移，而这一位移产生效应为逆压电效应 2、晶片的主要成分SiO2（二氧化硅）密度：2.65g/cm3分子量：60.06 3、振动模式晶体分为以下两类： AT 基频：BT 在振动模式最低阶次的振动频率 CT DT 3次 泛音：5次晶体振动的机械谐波，泛音频率与基频频率之比， 7次接近整倍数，又不是整倍数。 9次 AT与BT如何区分 1)通过测量晶片厚度 AT厚度t=1670/F0 F0-晶体标称频率 BT厚度t=2560/F0 2)通过温选根据晶片的拟合曲线来确定 3)通过测量晶体的C0、C1、TS、L、T来确定 4、按规格分为：HC-49S，HC-49U，HC-49S/SMD，表晶(3*8、2*6)，UM系列等 HC-49S HC-49U HC-49S/SMD 表晶 陶瓷SMD 钟振UM系列 5、标称频率：晶体技术条件中所给定的频率，如4.000MHz，12.000MHz，25.000MHz等 6、调整频差：在规定条件下，基准温度时，工作频率相对于标称频率所允许的偏离值(如： ±30ppm、±25ppm) 7、串联谐振频率(FR)：晶体本身固有的频率 8、负载谐振频率(FL)：在规定条件下，晶体与一负载电容相并联或相串联，其组合阻抗呈现 出来的谐振频率。 9、负载电容：在振荡电路中晶体两脚之间所有的等效电容量之和.在通常情况下IC厂家在规格书中都会给出推荐的晶体匹配电容. 说明：负载电容CL是组成振荡电路时的必备条件。在通常的振荡电路中，石英晶体谐振器作为感抗，而振荡电路作为一个容抗被使用。也就是说，当晶体两端均接入谐振回路中，振荡电路的负阻抗-R和电容CL即被测出，这时，这一电容称为负载电容。负载电容和谐振频率之间的关系不是线性的，负载电容小时，频率偏差量大，当负载电容提高时，频率偏差量减小。当振荡电路中的负载电容减少时，谐振频率发生较大的偏差，甚至当电路中发生一个小变化时，频率的稳定性就受到巨大影响。负载电容可以是任意值，但10-30PF会更佳。 10、温度频差(F/T)：在规定条件下，工作温度范围内，相对于基准温度时工作频率允许的偏离 值 11、基准温度：25±2℃，湿度：50%±10% 12、谐振电阻(RR)：在规定条件下，晶振在谐振频率时的等效电阻 13石英晶体谐振器等效电路 石英晶体谐振器的振动实质上是一种机械振动。实际上，石英晶体谐振器可以被一个具有电子转换性能的两端网络测出。这个回路包括L1、C1，同时C0作为一个石英晶体的绝缘体的电容被并入回路，与弹性振动有关的阻抗R1是在谐振频率时石英晶体谐振器的谐振阻抗。(见图1)石英晶体谐振式传感器
石英晶体基础知识
晶振基础知识
晶振基础知识
石英晶体原理,特性,参数,应用及使用注意事项介绍(补：睡眠晶振的介绍)
压电石英称重传感器及其在动态公路
石英晶体基础知识
石英晶体谐振器基本知识介绍
石英晶体应用与可靠性
C Copyright, i ht 1998
? 2003 ? ?,
Arthur Arth rL Lee Technical Director
1
Hong Kong X’tals Limited.
? 生产工程师 生产工程师： – 当你的电子板出现问题，它是第 当你的 子板 现问题 是第 一个被替代的元件！ ? 采购人员： – 是一种很难找到”可靠”供应商的 元件！ ? 研发工程人员： – 一个难以理解的小黑盒！
Hong Kong X’tals Limited
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晶振是一个压电元件，即： 能量在电能与机械能状态下每 秒转换百万次
所以，压电元件的規格特性要求不同於其他纯电气或 纯机械的元件 : ?电阻—纯电气 ?螺钉—纯机械
Hong Kong X’tals Limited
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外壳 壳 两面银电极 机械能 Mechanical Energy Stress and Motion 石英晶片（白片） 導电银胶 压力和及运动 压力和及 动
底座
注入干净、 注入干净 干燥的惰性 气体
电能 Electrical Energy Voltage & Current 电压及电流
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Hong Kong X’tals Limited
L1, , C1 : 机械能—应力及运动 电能—电压及电流
Co : 静电容
RS ( ESR ) : 能量耗损
Rs : (ESR) E R Equivalent i l tS Series i R Resistance it 串联电阻 Co : (Shunt Capacitance) Electrode Capacitance静电容 C1 : (Cm) Motional Capacitance 动态电容
L1 : (Lm) Motional Inductance 动态电感
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Hong Kong X’tals Limited压电石英晶体传感器及其在生物医学中的应用研究进展
水晶灯的基本知识
SRe石英晶体振汤器介绍-Y100520
Prepared by :Alan Yang
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1)石英晶片(Quartz)振盪原理 2)Crystal & Oscillator 種類與構造 3)基本波與倍頻 (Fundamental & 3rd Overtone) 4)Crystal / Oscillator 種類與應用 5)Crystal & Oscillator 參數解析 6)振盪迴路搭配分析 7)Q & A
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? 石英是由矽原子和氧原子組合而成的二氧化矽（Silicon Dioxide, SiO2）， 以六角柱形式的單結晶結構存在。(如附 圖) ? 由於石英本身具有壓電效應特性，石英晶體振盪器就是利 用此特性製成。 ? 運用壓電效應可使石英產生振盪，廣泛的運用在電腦、手 機等通訊產品及時鐘等等產品上。
Crystallized quartz material
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? 正壓電效應 ? 當機械應力加入於一壓電材料時，材料的兩端會伴隨著產生一個 與應力大小成比例的電荷(或電壓) ; 當應力方向相反時，電荷的極 性(亦即壓電的極性)也隨之逆反。
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? 逆壓電效應 ? 當一電位加在晶片表面時, 它就會產生變形或振動現象，掌握這 種振動現象，並控制其發生頻率的快慢，以及精確程度，就是水 晶震盪器的設計與應用原理。
Page.6石英晶体谐振器应用
石英晶体传感器应用电路设计
石英晶体基础知识
晶体相关基础知识