石英晶體無論是天然的還是人造的,都不同程度地存在一些疵病(缺陷)。它們不僅是由于在石英晶體生長過程中受到種種條件的影響而產生,就是在已形成的晶體中和生長完成后,外界條件的變化(主要是溫度)產生的缺陷。這些缺陷會影響其可用程度和石英晶體元件的性能,以下簡要介紹幾種常見的缺陷。

一、雙晶

雙晶是指兩個以上的同種晶體,按一定規律相互連生在一起。即在同塊晶體中,同時存在兩個方位不同的左旋部分(或右旋部分)。其中一部分繞Z軸轉180°后方與另一部分連生在一起,這兩部分的z軸彼此平行,所以兩部分的光學性能相同,而電軸兩部分相差180°,故它們的極性相反(見圖1.4.1)。

光雙晶是異旋晶體的連生,即在一塊貼片晶振晶體中,同時存在左旋和右旋兩個部分,它們連生在一起,左旋和右旋的光軸彼此平行,但旋光性相反,此外電軸極性也相反(見圖1.4.2)。

(a)左旋石英晶體的極性;(b)繞光軸轉180°°后左旋石英晶體的極性C)電雙晶的極性;

圖1.4.1電雙晶極性示意圖

(a)左旋石英晶體的極性;(b)右旋石英晶體的極性;(c)光雙晶的極性;

圖1.4.2光雙晶極性示意圖

電雙晶又稱道芬雙晶;光雙晶又稱巴西雙晶。雙晶的邊界可用氫氟酸腐蝕顯示出來(見圖1.4.3)。

雙晶多出現在天然石英晶體中,但在石英晶體諧振器晶片加工中也會誘發出雙晶。例如：石英晶片加熱溫度超過573℃,或雖然不超過573°C,但石英片內部溫度梯度太大,都可能產生電雙晶;又如:晶片研磨時,由于機械應力的作用,可能產生微小的道芬雙晶。

(a)電雙晶腐蝕圖像(b)光雙晶腐蝕圖像

圖1.4.3電雙晶、光雙晶在z平面上的腐蝕圖像

在壓電石英晶體元件中,一般不允許含有雙晶,若要利用含有雙晶的石英晶片時,則對雙晶的位置和比例要嚴加限制,因此在石英晶片加工中,要力求避免雙晶的出現

二、包裹體

石英晶體中往往含有固體、膠體和氣—一液體三種包裹體。

固體包裹體是混雜在晶體內部的其它礦物質,天然石英晶振,石英晶體中固體包裹體大部分是圍巖碎屑和黃鐵礦、金紅石等。人造石英晶體的固體包裹體主要是硅酸鐵鈉( NaFesi2O6.2H2O),它是由高壓釜內壁被腐蝕脫落的亞鐵離子和其它離子,與NaOH或Na2CO3溶液和SiO2等產生化學反應而形成的。

膠體包裹體是含鉀(K)、鈉(Na)硅酸鹽膠體所組成。它是由于石英晶體生長過程中,溫度發生波動時溶液中的二氧化碳達到超飽和狀態,來不及結晶而形成膠體包裹體。

氣一液包裹體中的液體主要是水溶液、碳酸和其它混合液,氣體是二氧化碳及揮發性化合物等,氣一液包裹體多集中在晶體底部包裹體是石英晶體的一種主要缺陷,實驗表明,如果晶片中含有大的針狀包裹體時,對石英晶體元件的電性能影響很大。

石英晶體的包裹體可用顯微鏡觀察法或油槽觀察法等進行檢查

三、藍針

石英晶體中藍色針狀的缺陷稱為藍針。

藍針形成的原因很多,有人認為藍針內部包含有鐵、錳、銅、鋅等金屬氧化物,在這些氧化物外部還有密集的小氣泡或小水珠,當光線通過它們時,除藍色光線外,其它光都被吸收掉,因此在晶體內部呈現藍色針狀缺陷。還有人研究發現,存在藍針的地方有很細的裂縫,它與晶體原有宏觀裂隙平行生長,說明藍針是屬于晶體內部機械破壞的結果。

對一般應用的壓電石英水晶振蕩子,石英晶振,貼片晶振晶片可以存在藍針,但用于制造穩定度高的和頻率比較高的石英晶體元件時,不允許其石英晶片有藍針存在。

四、其它疵病

在一些晶體中,可隱隱看出數個晶體的影子,這叫幻影或稱魔幻。它是由于晶體生長中斷了一段時間,后來又在晶面上繼續結晶而形成的。幻影破壞了晶體格架的完整性,影響晶體的彈性,屬晶體內部深處的缺陷。

裂隙是存在于晶體內部的小裂縫。它的形成可能是由于生長區中二氧化硅供應不足,雜質分布不均勻,籽晶不完善,機械應力和溫度變化不均勻等緣故節瘤是由許多小晶塊構成的鑲嵌結構,其形狀像是很小的晶體鑲嵌到大晶體的表面。這種鑲嵌結構是受溫度、壓力、溶液飽和程度和混合物數量等生長條件影響而形成.

石英晶體振蕩器,有源晶振,石英晶振晶體內部某處有集中的許多微小氣泡和小裂隙,呈現白色如棉花狀,這種缺陷俗稱為棉。

   石英晶體俗稱水晶,成份是SiO2,它不但是較好的光學材料,而且是重要的壓電材料。在常壓下不同溫度時,石英晶振晶體的結構是不同的。溫度低于573℃時,是a石英晶體;溫度在573℃~870℃時,是B石英晶體;溫度在870℃~1470℃時,是磷石英,溫度達1470℃時,就轉變成方石英,它的熔點是1750℃。用于制造壓電晶體元件的為a石英晶體

石英晶體的結晶形態和坐標系

      固體可以分為結晶體(晶體)與非結晶體(非晶體)兩大類。晶體中有外形高度對稱的單晶體(如石英晶體)和由許多微細晶體組成的多晶體(如各種金屬)。晶體的主要特性是原子和分子的有規則排列,這種排列反映在宏觀上是外形的對稱性,而非晶體就不具備這種特性,例如石英玻璃,它的成份與貼片石英晶振石英晶體一樣是SiO2,但不屬于晶體。

晶體可以是天然的,也可以由人工培養。晶態物質在適當條件下,能自發地發展成為一個凸多面體形的單晶體。圍成這樣一個多面體的面稱為晶面;晶面的交線稱為晶棱;晶棱的會集點稱為頂點。發育良好的單晶體,外形上最顯著的特征是晶面有規則的配置,屬于同一品種的晶體,兩個對應晶面(或晶棱)間的夾角恒定不變。圖1.1.1給出了理想石英晶體的外形。

石英晶體的晶面共30個,分為五組,六個m面(柱面),六個R面(大棱面),六個r面(小棱面)六個s面(三方雙錐面),六個x面(三方偏方面),相鄰m面的夾角為60°相鄰m面和R面的夾角與相鄰m面和r面的夾角都等于38°13,相鄰s面與x面的夾角等于25°57。由于外界條件能使某一個或某一組晶面相對地變小或完全隱沒,所以實際見到的石英晶體很少如圖1.1.1所示,就是人造石英晶體的外形也只是接近理想情況。

(a)右旋石英晶體 (b)左旋石英晶體

圖1.1.1石英晶體的理想外形

晶體內部結構的規律性,造成了它在外形上的對稱性。例如:晶體可以有對稱軸、對稱中心、對稱面等對稱元素。石英晶體存在一個三次對稱軸(或三次軸即晶體繞該軸旋360°3后能夠復原)和三個互成120°的二次軸,如圖1.1.2中的a、b、d軸

圖1.1.2石英晶體的對稱軸和直角坐標系

在結晶學中,晶體的內部結構可以概括為是由一些“點子”在空間有規則地作周期的無限分布:“點子”代表原子、離子、分子或其集團的重心。這些“點子”的總體稱為點陣,構成石英晶體的是二氧化硅分子,而二氧化硅分子的重心又正好與硅離子重合,因此硅離子的點陣就可以反映出石英晶體的內部結構。石英晶體振蕩器,石英晶體的各層硅離子若按右手螺旋規則分布,則稱為右旋石英晶體;若按左手螺旋規則分布,稱為左旋石英晶體。從外形上看,右旋石英晶體的s面在R面的右下方或m面的左上方,左旋石英晶體的s面在R面的左下方或m面的右上方(見圖1.1.1),它們互為鏡象對稱。

晶體物理性質的各向異性和晶體外形的對稱性有關,因此討論石英貼片晶振,石英晶體的物理性質時,采用為圖1.1.2所示的直角坐標系較為方便。選c軸為z軸,a(或b、d)軸為x軸,與x軸、z軸垂直的軸為y軸。其指向按1949年IRE標準規定對左、右旋石英晶體均采用右手直角坐標系。

石英晶體的密度為265g/cm3,莫氏硬度為7,透明晶瑩。在常溫常壓下,石英晶體不溶于水和三酸(鹽酸HCl、硫酸H2SO4、硝酸HNO3)屬于溶解度極小的物質。但在高溫高壓下,再加入適量助溶劑,如碳酸鈉(Na2CO3)或氫氧化鈉(NaOH)等,就可大大提高其溶解度。這個特點被用于石英晶體的人工培育。

氫氟酸(HF)、氟化銨(NH4F)與氟化氫銨(NH4HF2)是石英貼片晶振,石英晶體良好的溶解液,這在石英晶片加工中是很有用的。石英晶體是一種良好的絕熱材料,導熱系數比較小(見表1.3.1)

表1.3.1石英晶體的導熱系數

室溫附近,沿z軸方向的導熱系數是沿垂直于z軸方向導熱系數的二倍左右與z軸成q角的任一方向的導熱系數可由下式求得(1.3.1)Kφ=K3cos²φ+K1sin²φ,其中K1是垂直于Z軸的導熱系數,K3是平行于z軸的導熱系數石英晶體的膨脹系數也很小,且沿z軸方向的線膨脹系數a3約為沿垂直于z軸方向線膨脹系數a1的1/2(見表1.3.2)。

表1.3.2石英晶體的線膨脹系數值

若已知a1和a3,由下式可求出與Z軸成φ角的任一方向的線膨脹系數aL：al=a3+(a1-a3)sin²φ (1.32)

在室溫附近:aL=(7.48+623sin²φ)×10-6 (1.33)

并可由a1和a3求得體膨脹系數ar：ar=2a1+a3 (1.3.4)

由于石英晶體的熱膨脹系數較小,因此可用于精密儀器中。但當它被加熱時, 體膨脹系數會發生很大變化。在溫度達573℃時,石英晶體由a石英晶體轉變為B石英,體積急劇增大。石英晶體諧振器內部產生的較強的機械應力可能會造成裂隙和雙晶,這是在石英晶體元件的加工中要注意避免的。

石英晶體還是一種良好的絕緣體,其電阻率可由下式求得：p=Be-AT;式中,p為電阻率,T為絕對溫度,e為自然對數的底,A等于1.15×104B為相應的常數。平行于z軸方向的B=3000,垂直于z軸方向的B為平行于z軸方向的1/80。B值除與晶體結構有關外,還與沿z軸方向孔道中堿金屬雜質(K+、Na+)的存在有關。表1.3.3列出了晶振,有源晶振,石英晶體振蕩器,石英晶體在不同溫度下的電阻率,單位為ohm. cn。

表1.3.3石英晶體在不同溫度下的p(ohm.cm)

石英晶體介電常數(描述材料介電性質的量,是電位移D與電場強度E的一個比例系數)的各向異性不很明顯,平行于z軸的介電常數ε3=4.6,垂直于z軸的介電常數ε1=4.5。在電場作用下,電介質發熱而消耗的能量叫介質損耗,通常以損耗角的正切值(tg6)來表示其損耗的大小。有源晶體振蕩器,比如溫補晶振,壓控晶振,有源石英晶體的介質損耗較小,tg6<2×10-4因此用它作電氣材料具有高穩定性。

石英晶體雖不像諸如彈簧、橡皮筋那樣的物體,振動日時能看到明顯地形變,但是它仍然服從彈性定律(胡克定律),并且可以通過全息照相看到它形變的情況。當然,石英晶體的形變更復雜些,描述更困難些,這將在第二章中進一步講述。

某些電介質由于外界的機械作用(如壓縮、拉伸等)而在其內部發生變化產生表面電荷,這種現象叫壓電效應。具有壓電效應的電介質也存在逆壓電效應,即如果將具有壓電效應的介質置于外電場中,由于電場的作用,會引起介質內部正負電荷中心位移,而這位移又導致介質發生形變,這種效應稱為逆壓電效應。

正像某些其它晶體(如酒石酸鉀鈉KNaC4H4O6.4H2O、鈦酸鋇 BaTio3等等)那樣,貼片有源晶振,石英晶體也具有壓電效應。由于其結構的特殊性,不是任何方向都存在壓電效應的,只有在某些方向,某些力的作用下才產生壓電效應。

例如:當石英晶體受到沿x軸方向的力作用時,在x方向產生壓電效應,而y、z方向則不產生壓電效應,當石英晶體受到沿y軸方向的力作用時,在x方向產生壓電效應,而y、z方向也不產生壓電效應。若受到沿z軸方向的力作用時,是不產生壓電效應。因此又稱x軸為電軸,y軸為機械軸。利用石英晶體的壓電效應可制造多種高穩定性的頻率選擇和控制元件,這將在以后各章逐步講述。

石英晶體也與其它一些物質(如方解石CaCO3、硝酸鈉NaNO3晶體等)那樣具有雙折射現象,即一束光射入石英晶體時,分裂成兩束沿不同方向傳拓的光其中一束光遵循折射定律,叫做尋常光或稱&ldquo;0&rdquo;光,另一束光不遵循折射定律,叫做非尋常光,又稱&ldquo;e&rdquo;光,如圖1.3.1所示,尋常光在石英晶體內部各個方向上的折射率mo是相等的,而非尋常光在石英晶振,石英晶體的內部各個方向的折射率n0卻是不相等的。

例如:對于波長為5893A的光,石英晶體的n0=1.54425,最大的ne=1.5536。石英晶體雖然具有雙折射現象,但當光沿z軸方向入射時,不發生雙折射現象,所以又稱z軸為光軸石英晶體還具有旋光性。即平面偏振光(光振動限于某一固定方向的光)沿z軸方向通過石英晶體后,仍然是平面偏振光,但其振動面卻較之原振動面旋轉了一個角度。

圖1.3.1石英晶體的雙折射

石英晶體的光學性質被應用到制造各種光學儀器和石英片加工工藝中。

從六十年代起開展了石英晶體,SMD晶振元件輻射效應的研究工作,在此做一些簡單的介紹。

由于宇宙射線的輻照和核武器爆炸,地球周圍存在高能粒子和y射線、X射線等輻射。這些輻射對石英晶體及其器件都有很大的影響,無色透明的石英晶體經放射線照射后會變為煙色,石英晶體元件被輻照后,會使頻率發生變化,穩定性下降,等效電阻升高。

一般認為,石英晶體被γ射線和高能粒子轟擊后,會產生結構空穴和色心,這是由于堿金屬離子(A1+3和Na+)的存在所引起的。因此,要提高石英晶體抗輻射的能力,首先要減少和消除有源恒溫晶振,差分晶振,石英晶體中的上述雜質。

一方面選擇最佳籽晶和生長條件;另一方面可使用&ldquo;電清除&rdquo;的方法驅逐晶體中的雜質。有人做過這樣的實驗:用z向厚度為1cm的樣片,加溫到450~470℃,加電壓1500-1700V/cm,通過晶體的電流為250μA,20分鐘后則降為20μA,這時在負極表面出現由堿金屬雜質形成的乳白色薄層。顯然,這是一種高溫、高壓排除晶體中金屬離子等雜質的工藝過程。經過這種&ldquo;電清除&rdquo;的人造石英晶體制成的石英晶體元件就具有良好的抗輻射性能。

  石英晶體的介電性質,大家知道,金屬可以導電,這是因為金屬中存在著自由電子,在電場的作用下,這些自由電子被迫作定向運動而形成電流。然而,電介質是不能導電的,這是因為電介質中的電子(稱束縛電子)被原子核束縛得很緊,在一般電場作用下,束縛電子的位置只能作很小的移動。這種移動造成介質中的正、負電荷中心不重合而產生極化,所以電介質只能以極化方式傳遞電的作用。本節要介紹石英晶振晶體電介質的極化性質及其所遵循的電學規律。

一、電介質的極化和極化強度

如圖2.1.1(a)所示的電介質中,介質的兩面已被敷金屬電極,當電場等于零時,介質中的正、負電荷中心重合,介質處于電中性。當電場不等于零時,在電場的作用下,介質中的正、負電荷中心不再重合,并形成許多電偶極矩,于是介質產生極化,如圖2.1.1(b)所示。因這些電偶極矩頭尾相銜接,故可畫成如圖2.1.1(c)所示的情況,在介質與電極的分界面上分別出現正、負極化電荷(即正、負束縛電荷)。電偶極矩的方向規定為從負極化電荷指向正極化電荷,電偶

(a)E=0時,介質處于中性狀態()E≠0時,介質產生極化(c)介質極化示意圖

圖2.1.1電介質極化示意圖

極矩的大小等于ql,其中l為正、負極化電荷之間的距離,q為極化電荷。如果以p表示電偶極距,即可寫成

p=ql                           (2.1.1)

為了描述電介質的極化強度,現引入極化強度的概念。極化強度P等于單位，體積(△V=1)內的電偶極矩的矢量和,即

p=                            (2.1.2)

由式(2.1.2)可以得到,石英貼片晶振電介質的極化電荷面密度極與該處極化強度的法向量Pn之間的關系為

σ極=Pn           (2.1.3)

二、各向異性介質中極化強度P,電位移D和電場強度E之間的關系,晶體都是各向異性體,對于完全各向異性電介質(如三斜晶系),實驗上發現,D、E、P的方向彼此不同,但關系式D=6oE+P依然成立。P與E的關系和D與E的關系分別為

式中;比例系數x稱為介質的極化率(或極化系數)。e稱為介電常數(F/m); ε/ε0稱為相對介電常數。εo為真空介電常數

ε0=8.85×10-12F/m。

由式(2.1.4)和(2.1.5)可以看出,各向異性電介質的極化率有9個分量,介電常數也有9個分量.

在物理上,按照式(2.1.4)和(2.1.5)的形式,用9個分量來反映二個矢量之間關系的物理量,稱為二級張量。在數學上,常用矩陣形式來表示張量。

極化率的矩陣表示式為:

完全各向異性電介質的極化率和介電常數都是6個獨立分量,它們的數值由材料的介電性質所確定。

三、介電常數

我們已經知道,描寫各向同性介質只要一個介電常數,而描寫完全各向異性的電介質則需要六個獨立的介電常數分量。石英晶振,有源晶振,石英晶體屬于三斜晶系32點群,它是介于各向同性和完全各向異性之間的晶體。根據它的對稱性,可得到石英晶體的介電常數矩陣為：

由式(2.1.9)可以看出,石英晶振晶體不等于零的介電常數分量共3個,其中獨立分量2個,即ε11=ε22和ε33,ε12=ε13=ε23=0。石英晶體相對介電常數的數值為

因為各向異性電介質的介電常數與方向有關,所以坐標變換時,相應的介電常數分量也發生變化。例如:繞x軸旋轉某一角度q1的新坐標系Oxyz中

(見圖2.1.2)。

圖2.1.2繞x軸旋轉q1角度后,新、舊座標之間的關系

石英晶體的介電矩陣為:

知道φ1角后,即可通過式(2.1.11)求得所需的介電常數分量εkl

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  福克斯石英晶振采用無鉛無害材料生產,并且符合歐盟ROHS環保指令.FOX石英晶振所做產品均符合國際質量管理體系認證,并獲得美國UL,C-TPAT認證, 國際QS-9000,ISO-9001:2008,TS16949:02,ISO14001諸多品質認證.

    億金電子提供FOX石英晶體2016,2520,7050封裝FX252BS-20.000晶振部分型號編碼.型號包括C7BQ晶振,FX252B晶振,FX216B晶振等,體積從2016mm貼片晶振~7050mm貼片晶振.均為4腳焊接模式,精度從30PPM~50PPM范圍.
    FOX貼片晶振無源系列負載電容從8PF~20PF可供用戶選擇,滿足不同領域產品需求.FOX石英晶體諧振器具有體積小,厚度薄,重量輕等特點,被廣泛用于無線通信設備,智能家居,數碼電子,GPS導航,筆記本,藍牙,無人機,航空設備等.

  CTS晶振從研發,生產,到出廠銷售,生產周期快,供貨充足. 不但創造了大量高品質石英晶振,并且為信息技術和電信市場提供高精密,低衰減石英晶振,石英晶體振蕩器,致力于為全球各地的工業伙伴提供先進的技術,卓越的客戶服務和優越的價值.

   日本CITIZEN晶振中文名稱西鐵城晶振,成立于1918年,主要以生產貼片晶振,石英晶體,有源晶振,石英晶體振蕩器等電子元件為主.西鐵城石英晶振均選用無鉛無害環保材料生產,符合德國ROHS指令,運用ISO國際質量管理體系生產,具有高品質,高可靠性使用特性.

   億金電子提供西鐵城49/US系列高精密HC-49/U-S20000000AAJB晶振對應編碼參考.型號包括HCM49晶振和HC-49/U-S石英晶振.精度保持在±30ppm值,頻率范圍選用廣,20M,12M,22.1184M,10M,16M,24M,27M等.廣泛用于無線鼠標,顯示屏,兒童玩具,家用電器,辦公自動化等產品中.

   西鐵城49S晶振系列包括插件以及貼片焊接模式,外觀全采用優質金屬材料封裝,具有優良的電氣性,耐熱性,耐摔性等特點.49SMD貼片晶振系列是提供插件晶振在底部安裝了樹脂底座經過加工而成,具有耐高溫,耐惡劣環境等特性,可使用自動貼片機焊接,滿足無鉛環保要求,大大的提高了工作效益.

  西鐵城石英晶振自發展以來不斷開發新技術為工程技術和工業市場提供高性能和精密設備.并且提供2016mm貼片晶振,2520貼片晶振,3225mm貼片晶振,5032mm貼片晶振,6035mm貼片晶振,7050mm貼片晶振等多封裝尺寸選擇.電壓從1.8V~5V范圍選用.以下為億金電子所提供的7050封裝5V西鐵城有源晶振SSX-750PCC10000000T晶振編碼.

    臺灣百利通亞陶晶振起初是美國Pericom晶振集團的子公司,而后憑借自身的技術以及多年的經驗,不斷努力研發制造石英晶振,有源晶振等頻率元件,于公元2000年在臺灣正式成立,并且更名為百利通亞陶科技股份有限公司.亞陶晶振在大陸享有一流口碑,被廣泛用于各種不同領域.

    亞陶所生產的石英晶體振蕩器采用符合德國環保指令的材料,運用國際ISO質量管理體系進行嚴格操作.亞陶有源晶振包括SPXO石英晶體振蕩器,溫補晶振,壓控溫補晶振,壓控晶振,恒溫晶振等多種功能性.在產品中使用具有高精度,高溫度,高頻率,低功耗,低衰減,低電源電壓,低相控等特點.

石英晶體振蕩器也分為無源晶振和有源晶振兩種類型.無源晶振與有源晶振（諧振）的英文名稱不同,無源晶振為crystal（晶體）,而有源晶振則叫做oscillator（振蕩器）.無源晶振需要借助于時鐘電路才能產生振蕩信號.

溫度補償石英晶體振蕩器簡稱溫補晶振,是一種自身帶有溫度補償功能的有源晶振, 通過附加的溫度補償電路使由周圍溫度變化產生的振蕩頻率變化量削減的一種石英晶體振蕩器.Abracon溫補晶振具有高品質,高精密,低抖動,低電源電壓,耐高溫,耐撞擊性強等特點.