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石英晶振容易忽視的缺陷會影響到使用性能嗎?
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。
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