為了獲得非常高的振蕩器穩(wěn)定性水平,通常使用石英晶體作為頻率確定裝置來產(chǎn)生通常稱為石英晶體振蕩器（XO）的另一類型的振蕩器電路.

當一個電壓源應用于一塊薄薄的石英晶體時,它開始改變形狀,產(chǎn)生一種稱為壓電效應的特性.這種壓電效應是石英晶振晶體的特性,通過改變石英晶振的形狀,電荷產(chǎn)生機械力,反之亦然,施加在石英晶振上的機械力產(chǎn)生電荷.

石英晶體諧振器是利用石英晶體的壓電效應制成的一種諧振器件,其基本結構為:從一塊石英晶體上按一定方位角切下薄片(簡稱為晶片,它可以是正方形、矩形或圓形等),在它的兩個對應面上涂敷銀層作為電極,在每個電極上各焊根引線接到管腳上,再加上封裝外殼就構成了石英晶體振蕩器,簡稱為石英晶體或晶體、晶振。其產(chǎn)品一般用金屬外殼封裝,也有用玻璃殼、陶瓷或塑料封裝的。圖2.1是石英晶振結構圖。圖22是一種金屬外殼封裝的石英晶體結構示意圖。

石英晶振晶體的壓電效應

若在石英晶體的兩個電極上加一電場,晶片就會產(chǎn)生機械變形。反之,若在晶振晶片的兩側施加機械壓力,則在晶片相應的方向上將產(chǎn)生電場,這種物理現(xiàn)象稱為壓電效應。如果在晶片的兩極上加交變電壓,晶片就會產(chǎn)生機械振動,同時石英晶振晶片的機械振動又會產(chǎn)生交變電場。在一般情況下,晶振晶片機械振動的振幅和交變電場的振幅非常微小,但當外加交變電壓的頻率為某一特定值時,振幅明顯加大,比其他頻率下的振幅大得多,這種現(xiàn)象稱為壓電諧振,它與LC回路的諧振現(xiàn)象十分相似。它的諧振頻率與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸等有關。

石英晶振晶體的符號和等效電路

石英晶體諧振器的符號和等效電路如圖23所示。當晶體不振動時,可把它看成一個平板電容器稱為靜電電容C,它的大小與晶片的幾何尺寸、電極面積有關,一般約幾個pF到幾十pF。當石英晶體諧振時,機械振動的慣性可用電感L來等效。一般L的值為幾十mH到幾百mH.晶振晶片的彈性可用電容C來等效,C的很小,一般只有0.0002~0.lpF。

晶振晶片振動時因摩擦而造成的損耗用R來等效, 它的數(shù)值約為100g。由于晶片的等效電感很大,而C很小,R也小,因此回路的品質(zhì)因數(shù)Q很大,可達1000~10000。加上晶振晶片本身的諧振頻率基本上只與晶片的切割方向、幾何形狀、尺寸有關,而且可以做得精確,因此利用石英晶體諧振器組成的諧振電路可獲得很高的頻率穩(wěn)定度。

關于晶振的信息億金電子在前面的文章中已經(jīng)提到過很多次了,大家有不懂的可以到億金新聞動態(tài)中了解.下面我們要說的是關于石英晶振晶片的由來以及石英晶振晶片的工作原理.

石英晶振晶片的由來

科學家最早發(fā)現(xiàn)一些晶體材料,如石英,經(jīng)擠壓就象電池可產(chǎn)生電流(俗稱壓電性),相反,如果一個電池接到壓電晶體上,石英晶體就會壓縮或伸展,如果將電流連續(xù)不斷的快速開「關,晶體就會振動。

在1950年,德國科學家 GEORGE SAUERBREY研究發(fā)現(xiàn),如果在石英晶體,石英晶體諧振器的表面上鍍一層薄膜,則石英晶體的振動就會減弱,而且還發(fā)現(xiàn)這種振動或頻率的減少,是由薄膜的厚度和密度決定的,利用非常精密的電子設備,每秒鐘可能多次測試振動, 從而實現(xiàn)對晶體鍍膜厚度和鄰近基體薄膜厚度的實時監(jiān)控。從此,膜厚控制儀就誕生了。

薄薄圓圓的晶振片,來源于多面體石英棒,先被切成閃閃發(fā)光的六面體棒,再經(jīng)過反復的切割和研磨,石英棒最終被做成一堆薄薄的(厚0.23mm,直徑1398mm)圓片,每個圓片經(jīng)切邊,拋光和清洗,最后鍍上金屬電極(正面全鍍,背面鍍上鑰匙孔形),經(jīng)過檢測,包裝后就是我們常用的晶振片了。

用于石英膜厚監(jiān)控用的石英芯片采用AT切割,對于旋光率為右旋晶體,所謂AT切割即為切割面通過或平行于電軸且與光軸成順時針的特定夾角。AT切割的晶體片振動頻率對質(zhì)量的變化極其靈敏,但卻不敏感干溫度的變化。這些特性使AT切的石英晶體片更適合于薄膜淀積中的膜厚監(jiān)控。

石英晶振晶片的原理

石英晶體是離子型的石英晶體,由于結晶點陣的有規(guī)則分布,當發(fā)生機械變形時,例如拉伸或壓縮時能產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,稱為壓電現(xiàn)象。例石英晶振晶體在9.8×104Pa的壓強下承受壓力的兩個表面上出現(xiàn)正負電荷約0.5V的電位差。壓電現(xiàn)象有逆現(xiàn)象,即石英晶體在電場中晶體的大小會發(fā)生變化,伸長或縮短,這種現(xiàn)象稱為電致伸縮。

石英晶體壓電效應的固有頻率不僅取決于其幾何尺寸,切割類型而且還取決于芯片的厚度。當芯片上鍍了某種膜層,使芯片的厚度增大,則芯片的固有頻率會相應的衰減。石英晶振,石英晶體的這個效應是質(zhì)量負荷效應。石英晶體膜厚監(jiān)控儀就是通過測量頻率或與頻率有關的參量的變化而監(jiān)控淀積薄膜的厚度。

石英晶體法監(jiān)控膜厚,主要是利用了石英晶體,石英晶體振蕩器的壓電效應和質(zhì)量負荷效應。

石英晶體的固有頻率f不僅取決于幾何尺寸和切割類型,而且還取決于厚度d,即f=N/d,N是取決與石英晶振晶體的幾何尺寸和切割類型的頻率常數(shù)對于AT切割的石英晶體,N=f·d=1670Kcmm。

物理意義是:若厚度為d的石英晶體厚度改變△d,則石英貼片晶振頻率變化△f, 式中的負號表示晶體的頻率隨著膜增加而降低然而在實際鍍膜時，沉積的是各種膜料,而不都是石英晶體材料,所以需要把石英晶振厚度增量△d通過質(zhì)量變換轉(zhuǎn)換成膜層厚度增量△dM,即

A是受鍍面積,pM為膜層密度,p。為石英密度等于265g/cm3。于是△d=(pM/pa)"△dM,所以

式中S稱為變換靈敏度。

對于一種確定的鍍膜材料,為常數(shù),在膜層很薄即沉積的膜層質(zhì)量遠小于石英芯片質(zhì)量時,固有頻率變化不會很大這樣我們可以近似的把S看成常數(shù),于是上式表達的石英晶振晶體頻率的變化人行與沉積薄膜厚度△dM有個線性關系因此我們可以借助檢測石英晶體固有頻率的變化,實現(xiàn)對膜厚的監(jiān)控。

顯然這里有一個明顯的好處,隨著鍍膜時膜層厚度的增加,晶振頻率單調(diào)地線性下降,不會出現(xiàn)光學監(jiān)控系統(tǒng)中控制信號的起伏,并且很容易進行微分得到沉積速率的信號。因此,在光學監(jiān)控膜厚時,還得用石英晶振,石英晶體法來監(jiān)控沉積速率,我們知道沉積速率穩(wěn)定隊膜材折射率的穩(wěn)定性、產(chǎn)的均勻性重復性等是很有好處和有力的保證。

石英晶體膜厚控制儀有非常高的靈敏度,可以做到埃數(shù)量級,顯然石英晶體的基頻越高,控制的靈敏度也越高,但基頻過高時晶體片會做得太薄,太薄的芯片易碎。

所以一般選用的石英晶振,貼片晶振片的頻率范圍為5~10MHz。在淀積過程中,基頻最大下降允許2~3%,大約幾百千赫。基頻下降太多振蕩器不能穩(wěn)定工作,產(chǎn)生跳頻現(xiàn)象。如果此時繼續(xù)淀積膜層,就會出現(xiàn)停振。為了保證振蕩穩(wěn)定和有高的靈敏度體上膜層鍍到一定厚度后,就應該更換新的晶振片。

此圖為膜系鍍制過程中部分頻率與厚度關系圖。

1880年法國物理學家居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應。當在石英晶體的某個固定的方向加上壓力后,晶體的內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,并且在對應的兩個表面上分別產(chǎn)生正負電荷。當去除所加的壓力后,石英晶振晶體表面的正負電荷又會消失,恢復到原來沒有加壓力的狀態(tài);當所加的壓力改為拉力后,晶體表面產(chǎn)生的正負電荷的極性也會隨之改變。石英晶振晶體表面所產(chǎn)生的電荷量與所加的壓力或拉力的大小成正比。這種將機械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象就稱為正壓電效應。

相反,如果在石英晶體的極化方向上外加交變電場時,就會使晶體產(chǎn)生膨脹或縮小的機械變形。當去掉所加的交變電場后,該石英晶振晶體的機械變形也隨之消失,恢復到原來的狀態(tài)。這種電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應”.自然界中雖然有很多晶體都具有上述壓電效應,但是石英貼片晶振晶體結構簡單,做成的振蕩器精度高,頻率穩(wěn)定,因此是比較理想的材料。

圖2-1是正壓電效應和逆壓電效應的示意圖。表示某一非中心對稱的壓電石英晶體在某一平面上的投影,當其兩側受到一定外力時的情況。其中(a)表示當石英晶振晶體不受外力時,正電荷與負電荷的中心重合。晶體的電極化強度為0,晶體表面就不帶電荷。(b) 表示在(a)中的晶體兩側加上壓力后,產(chǎn)生電極化現(xiàn)象。即晶體發(fā)生壓縮變形使得正電荷與負電荷的中心分離。為此,石英晶振晶體就顯示有電偶極距,電極化強度就不再等于0晶體表面分別出現(xiàn)了正、負電荷。(c)中則表示將晶體兩側的壓力改為拉力后,因為石英貼片晶振晶體產(chǎn)生膨脹變形后正電荷與負電荷的中心分離方向與(b)中的正好相反,所以晶體兩側表面所帶的正、負電荷情況也正好相反。

如果在石英晶振晶體兩側的表面鍍上金屬電極后, 當在其表面加上壓力或拉力時,都可以利用儀表測得晶體兩側表面的電位差。只是金屬電極上由于靜電感應產(chǎn)生的電荷與石英晶體表面出現(xiàn)的束縛電荷極性相反。如(d)、(e) 所示,它們分別表示(b)、(c)在加壓力的面或加拉力的面鍍上金屬電極的情況。當施加壓力或拉力的方向和產(chǎn)生電位差的方向一致時,稱為縱向壓電效應。也有一些壓電材料,施加壓力或拉力的方向和產(chǎn)生電位差的方向是垂直的,這種現(xiàn)象則被稱為橫向壓電效應。相反,如果壓電石英晶體在電場中,出于電場的作用,使石英晶振晶體正電荷與負電荷的中心發(fā)生分離。這種極化現(xiàn)象則會導致石英晶體,石英晶體振蕩器的變形,這就是電致變形,也就是逆壓電效應.

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石英晶振主要用在電路中作穩(wěn)頻元件。為了克服傳統(tǒng)的掃描探針顯微鏡在應用中的不足,本文采用石英晶振作為微力傳感器來取代傳統(tǒng)的微懸臂和位移檢測裝置。而石英晶振有兩個優(yōu)點：

1、壓電效應,從而使石英晶振免去了中間轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié),形成一個獨立的直接和即時的微力測量單元。

2、空氣中極高的品質(zhì)因素,從而使最小可測力梯度減小,傳感器的靈敏度提高。

2.1晶振作為測量元件的物理特性研究

石英晶體是六棱柱而兩端呈角錐形的結晶體,其化學成分是Si02,下圖所示是石英晶振晶體的坐標軸系：

通常將通過兩頂端的軸線稱為光軸(Z軸),與光軸垂直又通過晶體切面的六個角的三條軸線稱為電軸(X軸),與光軸垂直又和石英晶振晶體橫切面六邊形的六個邊垂直的三條軸線稱為機械軸(Y軸),X軸、Y軸、Z軸統(tǒng)稱為晶體的坐標軸系。在同一方向上,石英晶振晶體的性質(zhì)是完全相同的。

石英晶體是一種各向異性的晶體,它具有正壓電效應。沿某一機械軸或者電軸施加壓力,則在垂直于這些軸的兩個表面上就產(chǎn)生了異號電荷,其值與機械壓力產(chǎn)生的機械形變成正比,若施以張力,則表面上的電荷與受壓時的符號相反。造成這種結果的原因是貼片晶振,石英晶振晶體的晶格在壓力下變形,導致電荷分布不均勻。石英晶體還具有逆壓電效應,如果在石英晶體兩個面之間加一電場,則晶體在電軸或機械軸方向上就會延伸或壓縮,延伸或壓縮量與電場強度成正比。

如果將石英晶體置于交變電場中,則在電場的作用下,貼片晶振晶體的體積會發(fā)生周期性的壓縮或拉伸的變化,這樣就形成了晶體的機械振動,晶體的振動頻率應等于交變電場的頻率,在電路中也就是驅(qū)動電源的頻率。當石英晶體諧振器振動時,在它的兩表面產(chǎn)生交變電荷,結果在電路中出現(xiàn)了交變電流,這樣壓電效應使得晶體具有了導電性,可以視之為一個電路元件。石英晶振晶體本身還具有固有振動頻率,此振動頻率決定于晶體的幾何尺寸、密度、彈性和泛音次數(shù),當石英晶振晶體,有源晶振的固有振動頻率和加于其上的交變電場的頻率相同時,晶體就會發(fā)生諧振,此時振動的幅值最大,同時壓電效應在石英晶振晶體表面產(chǎn)生的電荷數(shù)量和壓電電導性也達最大,這樣石英晶體諧振器,石英晶振晶體的機械振動與外面的電場形成電壓諧振,這就是石英晶體作為振蕩器的理論基礎。

石英晶體的電氣特性可用圖中所示的等效電路圖來表示,由等效電阻R1、等效電感L1和等效電容C1組成的串聯(lián)諧振回路和靜態(tài)電容Co并聯(lián)組成,靜態(tài)電容C0主要由貼片晶振,有源晶振,石英晶體的尺寸與電極確定,再加上支架電容組成。等效電感L1和等效電容C1由切型、石英晶體片和電極的尺寸形狀來確定。等效電阻R1是決定石英晶振Q的主要因素,是直接影響石英晶體諧振器工作效果的一個重要參數(shù)。R1不僅由切型、石英晶體片形狀、尺寸、電極決定,而且加工條件、裝架方法等對其影響也很大。因此,同一型號,同一頻率的若干產(chǎn)品其Q值也相差很大。

在等效電路中,L1和C1組成串聯(lián)諧振電路,諧振頻率為:

通常石英晶體諧振器的阻抗頻率特性可用圖2.3表示。此處忽略了等效電阻R1的影響,由圖可見,當工作頻率f時,晶體呈容性;當工作頻率在f0與f之間時,晶體呈感性;當工作頻率f>f時,晶體又呈容性。晶體在晶體振蕩器主振蕩級的振蕩電路呈現(xiàn)感性,即工作頻率在f于f之間。

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石英晶體的彈性常數(shù)

通過上節(jié)討論,我們已經(jīng)知道石英晶體的彈性常數(shù)矩陣為：

晶體的彈性常數(shù)反映晶體的彈性性質(zhì)。從這些彈性常數(shù)矩陣看出,用雙足標表示的彈性常數(shù)共有36個分量。三斜晶系是完全各向異性體,對稱性最低,36個不等于零的彈性常數(shù)分量中,獨立的分量有21個。而石英晶體諧振器,石英晶體的獨立彈性常數(shù)分量為6個。

當彈性常數(shù)s和c，的足標i，=1，2，3時，它分別表示沿x，y，z方向的彈性伸縮性質(zhì)；當i，j4，5，6時，它分別表示沿x，y，z平面的切變性質(zhì)；當i≠j它分別表示兩種伸縮之間或兩種切變之間，以及伸縮與切變之間的彈性耦合性質(zhì)。這種彈性常數(shù)又稱為交叉彈性常數(shù)，現(xiàn)在以石英貼片晶振,石英晶體的彈性柔順常數(shù)為例，進一步說明如下：

（1）與石英晶體伸縮性質(zhì)有關的彈性柔順常數(shù)為s11，s22(=s11），s33。

（2）與石英晶體伸縮之間耦合性質(zhì)有關的交叉彈性柔順常數(shù)為：s12，s13，S2（=S13）。

（3）與石英晶體切變性質(zhì)有關的彈性柔順常數(shù)為s44=s55，s55)，s66.

（4）與石英晶體切變之間耦合性質(zhì)有關的交叉彈性柔順常數(shù)為：s56(=2S14).

（5）與石英晶振晶體伸縮和切變之間耦合性質(zhì)有關的交叉彈性柔順常數(shù)為：s14，524（=-S14)。

石英晶體的原子面符號

石英晶體和非晶體本質(zhì)差別在于它們的內(nèi)部結構是否存在周期性。為了描述晶體結構的周期性,用空間點陣來模擬晶體內(nèi)部結構。通過點陣的“點子”作三組向不同的平行線,就構成了空間格子,稱為“晶格”,如圖1.2.1。

圖1.2.1晶格示意圖

整個空間格子是由一個單元重復排列的結果,這個重復單元就稱為“晶胞”。晶胞是石英晶體結構的基本單元,晶胞的形狀和大小由晶胞參數(shù)(晶胞的幾個邊長和這幾個邊長之間的夾角)來決定。晶胞的選擇不是唯一的,除反映晶體內(nèi)部的周期性外,還要反映晶體的外部對稱性。

石英晶體的晶胞是選擇如圖1.2.2所示的六角晶胞,其晶胞參數(shù)為c=b=d4.9404A;c=5.394A;a=B=90°;y=120°

圖1.2.2六角晶胞示意圖

在晶體點陣中,通過任一點子,可以作全同的原子面和一原子面平行,構成一族平行原子面。這樣一族原子面包含了所有點子,它們不僅平行而且等距,各原子面上點子分布情況相同。晶體中有無限多族平行原子面。不同族原子面在石英晶振晶體中的方位不同,原子面的間距不同,原子在原子面上的分布不同,相應的物理性質(zhì)也不同。因此,我們用原子面指數(shù)來表示該族原子面的方位,代表該族原子面。為了表明各個原子面,一般采用原子面指數(shù)(hk)表示,只有三角晶系和六角晶系才采用原子面指數(shù)(hki1)表示,現(xiàn)分別介紹如下。

一、一般晶系原子面指數(shù)表示法

從幾何學中知道要描述一個平面的方位,就要選一個坐標系,然后標出這個平面在此坐標軸上的截距,或標出這個平面的法線在此坐標系中的方向余弦,描述原子面的方位也是如此。選某一原子(或離子、分子)的重心為坐標原點,以晶胞的三個邊a、b、c(即晶軸)為坐標系,但應注意：

(1)由貼片晶振晶軸組成的坐標系不一定是直角坐標系

(2)晶軸上的長度單位分別為晶格常數(shù)a、b、c,所以截距的數(shù)值是相應晶格常數(shù)的倍數(shù)。

例如M1、M2、M3原子面與三個晶軸分別交于M1、M2、M3點,如圖1.2.3所示,三個截距為

圖1.2.3(236)原子面

知道了原子面在坐標中的截距,就等于知道原子面在晶體中的方位,所以也可用截距p、q、r來標志原子面,但由于原子面與某晶軸平行時相應的截距為無限大,為了避免出現(xiàn)無限大,改用截距倒數(shù)的互質(zhì)比。

來標記原子面,為了簡化常略去比例記號,采用(hk)表示,(hk)就稱為原子面指數(shù)(或晶面指數(shù)、密勒指數(shù)),例如圖1.2.3中原子面指數(shù)為(2,3,6)即：

有時也稱MM2M3平面為(2,3,6)原子面,圖1.2.4中標出了一些簡單的原子面指數(shù),因為有源晶振,石英晶振晶軸有正向、負向之分,所以原子面指數(shù)也有正、負之分,通常將負號寫在指數(shù)的上面,例如(010)原子面,就表示原子面與a軸、c軸平行,與b軸的截距為-b。

圖1.24一些簡單的原子面指數(shù)

六角晶系和三角晶系原子面指數(shù)表示法上述原子面表示法可用于全部晶系,具有普遍性,但在六角晶系中采用四個晶軸的坐標系比較方便,四個晶軸中的a、b、d、軸在同一平面上,互成120°0,夾角,c軸則與此平面垂直。原子面指數(shù)(hk1)中h、k、i、l則分別對應于a、b、d、c軸截距倒數(shù)的互質(zhì)比。例如,某原子面與四個晶軸分別交于M1M2M3M4點,如圖1.2.5所示四個截距為

OM2=pa=4a

OM2=qb=4b

OM3=rc=2c

OM4=td=-2d

圖1.2.5(1122)原子面

這些截距倒數(shù)的互質(zhì)比為

可見圖M1M2M3M4面的原子面指數(shù)為 (1122)。

圖12.2表示六角晶胞的原子面指數(shù),圖1.2.5表示右旋石英晶振,石英晶體的部分原子面指數(shù),從這些的原子面指數(shù)中可以看出:

(1)存在這樣的規(guī)律,即h+k+i=0。這就是說,在h,k,i中,只要知道其中兩個即可確定第三個,利用這種關系,有的資料中把原子面指數(shù)(h k i l)簡寫為(h k l)。

(2)通過(hkiD)原子面的前三個指數(shù)h,k,i全部排列,可得六個原子面,這六個原子面與z軸平行,X射線的反射角(即掠射角) θ相同。其物理性質(zhì)也相同。如(1010)原子面,將前三個指數(shù)全部排列,即得六個原子面為(1010),(1100),(0110),(100),(0110),(1010)這就是石英晶體的六個m面。

(3)通過對(hki1)原子面的三個指數(shù)h,k,l全排列,以及將第四個指數(shù)l(l0)變號后再排序,可得十二個原子面,根據(jù)晶體的對稱性發(fā)現(xiàn)這十個原子面可分為二組,每組六個原子面,同一組原子面的性質(zhì)完全相同例如:(1011)原子面,將前三個的指數(shù)全排列,即得六個原子面為(101i),(1101),(0111),(1101),(011),(1011)將第四個指數(shù)變號后,再全排列,又得六個原子面為(1011),(101),(011),(1101),(0111),(1011)將這十二個原子面分成兩組,前三個和后三個原子面為一組,中間六個原子

面為一組,即:

甲組:(1011),(1101),(0111),(1101),(0111),(1011)

乙組:(1101),(011),(1011),(1011),(1101),(01)

將這些結果與圖1.2.6比較,即可看出,甲組原子面就是石英晶體中的六的R面,乙組原子面就是石英晶體中的六個r面

(a)右旋石英晶體(b)上部R面和r面(c)下部R面和r面

圖1.2.6右旋石英晶體的原子面指數(shù)

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(chǎn)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(chǎn)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(guī)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(xiàn)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(fā)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(nèi)部溫度梯度太大,都可能產(chǎn)生電雙晶;又如:晶片研磨時,由于機械應力的作用,可能產(chǎn)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(xiàn)

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(nèi)部的其它礦物質(zhì),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(nèi)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(chǎn)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(fā)生波動時溶液中的二氧化碳達到超飽和狀態(tài),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(fā)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(nèi)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(nèi)部呈現(xiàn)藍色針狀缺陷。還有人研究發(fā)現(xiàn),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(nèi)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(wěn)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(shù)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(xù)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(nèi)部深處的缺陷。

裂隙是存在于晶體內(nèi)部的小裂縫。它的形成可能是由于生長區(qū)中二氧化硅供應不足,雜質(zhì)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(jié)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(shù)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(nèi)部某處有集中的許多微小氣泡和小裂隙,呈現(xiàn)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(zhuǎn)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(tài)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(guī)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(yǎng)。晶態(tài)物質(zhì)在適當條件下,能自發(fā)地發(fā)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(fā)育良好的單晶體,外形上最顯著的特征是晶面有規(guī)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(nèi)部結構的規(guī)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(nèi)部結構可以概括為是由一些“點子”在空間有規(guī)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(nèi)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(guī)則分布,則稱為右旋石英晶體;若按左手螺旋規(guī)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(zhì)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(zhì)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(guī)定對左、右旋石英晶體均采用右手直角坐標系。