石英晶体基础
《结晶学基础》
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2．鲍林第二规则---静电价规则
在一个稳定的晶体结构中，从所有相邻接的阳离 子到达一个阴离子的静电键的总强度，等于阴离子 的电荷数。
静电键强度
S＝ Z＋ CN＋
• 在离子晶体中，配位数指的是最紧邻的异号离子数，所以正、 负离子的配位数不一定是相等的。阳离子一般处于阴离子紧密堆 积阳的离空子隙还中可，能其出配现位其数 它一 的般 配为 位数4或。6. 。如果阴离子不作紧密堆积，
配位数
阴离子作正八 面体堆积，正、 负离子彼此都能 相互接触的必要
条件为r＋/r=0.414。
凸几何多面体倾向。
❖ 4．对称性－－晶体的物理化学性质能够在不同方
向或位置上有规律地出现，也称周期性 .
晶体的性质
❖ 5．均匀性（均一性）－－一个晶体的各个部分性
质都是一样的。 这里注意：均匀性与各向异性不同，前者是指晶
体的位置，后者是指观察晶体的方向。
❖ 6. 固定熔点 ❖ 7．晶面角守恒定律－－晶面（或晶棱）间的夹角
宏观晶体中对称性只有32种，根据对称型中是否存在 高次轴及数目对晶体分类
❖ 存在高次轴（n>2）且多于一个―――高级晶族 ――包括：等轴（立方）晶系
❖ 存在高次轴（n>2）且只有一个―――中级晶族 ――包括：三方、四方、六方晶系
❖ 不存在高次轴（n>2）―――低级晶族――包括： 三斜、单斜、正交晶系
第一章 结晶学基础
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1-1 晶体的基本概念与性质
一、晶体的基本概念
➢ 人们对晶体的认识，是从石英开始的。 ➢ 人们把外形上具有规则的几何多面体形态的
石英晶体基础知识
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。
晶振基础知识介绍
晶振基础知识介绍晶振：即所谓石英晶体谐振器(无源)和石英晶体振荡器（有源）的统称。
无源和有源的区别：无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。
无源晶振需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振是一个完整的谐振振荡器。
石英晶体振荡器与石英晶体谐振器都是提供稳定电路频率的一种电子器件。
石英晶体振荡器是利用石英晶体的压电效应来起振，而石英晶体谐振器是利用石英晶体和内置IC共同作用来工作的。
振荡器直接应用于电路中，谐振器工作时一般需要提供3.3V电压来维持工作。
振荡器比谐振器多了一个重要技术参数：谐振电阻（RR），谐振器没有电阻要求。
RR的大小直接影响电路的性能，因此这是各商家竞争的一个重要参数。
晶振的原理：压电效应(物理特性)：在水晶片上施以机械应力时,，会产生电荷的偏移，即为压电效应。
逆压电效应：相对在水晶片上印加电场会造成水晶片的变形即产生逆压电效应，利用这种特性产生机械振荡，变换成电气信号。
晶振的作用：一、为频率合成电路提供基准时钟，产生原始的时钟频率。
二、为电路产生震荡电流,发出时钟信号晶振的分类：一、按材质封装(1).金属封装-SEAMTYPE (2).陶瓷封装-GLASSTYPE二、贴装方式(1).直插封装-DIP (2).贴片封装-SMD三、按产品类型(1).crystal resonator—晶体谐振器（无源晶体）(2).crystal oscillator—晶体振荡器（有源晶振）---SPXO 普通有源晶体振荡器---VCXO电压控制晶体振荡器---TCXO 温度补偿晶体振荡器---VC-TCXO压控温补晶体振荡器(3).crystal filter—晶体滤波器(4).tuning fork x’tal (khz)-水晶振动子部分 KDS晶振图例：DT-14/DT-26/DT-38 DMX-26S DSX220G DSO321SR/221SR HC-49S/AT-49DSX321G/221 G SM-14J DSV531SV DSX530G/840GDSA/B321SDA晶振的名词术语：SMT ：Surface Mount Technology 表面贴装技术SMD ：Surface Mount Device 表面贴装元件OSC ：Oscillator Crystal 晶体振荡器TCXO ：Temperature Compensate X‘tal Oscillator 温度补偿晶体振荡器VC-TCXO ：Voltage Controlled, Temperature Compensated Crystal Oscillator 压控温度补偿晶体振动器 VCXO ：Voltage Control Oscillator 压控晶体振动器 DST410S/310S/210A DSX320G DSA/B321SCL HC-49SMD/SMD-49晶振的重要参数：1、标称频率F：晶体元件规范（或合同）指定的频率。
晶体学基础知识导论X衍射 (2)
◆ 晶体生长是研究人工培育晶体的方法和规律 ◆ 晶体的几何结构是研究晶体外形的几何理论及内部质
点的排列规律
◆ 晶体结构分析是收集大量与晶体结构有关的衍射数据 ◆ 晶体化学主要研究化学成分与晶体结构及性质之间的
晶胞(unit cell)是晶体中能代 表晶格一切特征的最小部分， 必为平行六面体。用a, b, c和
a, b, g 表示晶胞特征，称为
晶胞参数。
平移矢量
Tm，n，p=ma+nb+pc (m，n，p=0，±1，…±∞)
晶 胞
晶胞的大小与形状：由晶胞参数 a, b, c, a, b, g 表示， a, b, c为六面体
方解石
石盐
Quartz
Rock-crystal
显然，这种认识还并不全面。例如，同样是一种 物质石英，它既可以呈多面体形态的水晶而存在， 也可以呈外形不规则的颗粒而生成于岩石之中。 这两种形态的石英，从本质上来说是一样的。由 此可见，自发形成几何多面体形态，只是晶体在 一定条件下的一种外在表现。晶体的本质必须从 它的内部去寻找。
(1) 初基(简单)点阵 P 一个阵点
(2) 底心点阵 C,A或B 两个阵点
(3) 体心 点阵
I 两个 阵点
(4)面心 点阵
F 四个 阵点
晶系 三斜
14种Bravais格子
原始格子 底心格子 体心格子 面心格子
（P）
（C）
（I） （F）
C=I
I=F
F=P
单斜
I=F
F=P
正交
四方
C=I
F=P
晶振基础知识
4.晶振的应用 并联电路：
(a)串联共振振荡器 (b)并联共振振荡器 1)：如何选择晶体？ 对于一个高可靠性的系统设计，晶体的选择非常重要，尤其设计带有睡眠唤醒(往往用低电压以求低功 耗)的系统。这是因为低供电电压使提供给晶体的激励功率减少，造成晶体起振很慢或根本就不能起振 。这一现象在上电复位时并不特别明显，原因时上电时电路有足够的扰动，很容易建立振荡。在睡眠 唤醒时，电路的扰动要比上电时小得多，起振变得很不容易。在振荡回路中，晶体既不能过激励(容易 振到高次谐波上)也不能欠激励(不容易起振)。晶体的选择至少必须考虑：谐振频点，负载电容，激励 功率，温度特性，长期稳定性。 2)：晶振驱动 电阻RS常用来防止晶振被过分驱动。过分驱动晶振会渐渐损耗减少晶振的接触电镀，这将引起频率的 上升。可用一台示波器检测OSC输出脚，如果检测一非常清晰的正弦波，且正弦波的上限值和下限值 都符合时钟输入需要，则晶振未被过分驱动；相反，如果正弦波形的波峰，波谷两端被削平，而使波 形成为方形，则晶振被过分驱动。这时就需要用电阻RS来防止晶振被过分驱动。判断电阻RS值大小的 最简单的方法就是串联一个5k或10k的微调电阻，从0开始慢慢调高，一直到正弦波不再被削平为止。 通过此办法就可以找到最接近的电阻RS值。
3).如何选择电容C1，C2？ （1）：因为每一种晶振都有各自的特性，所以最好按制造厂商所提供的数值选择外部元器件。 （2）： 在许可范围内，C1,C2值越低越好。应该试用电容将他的振荡频率调到IC所需要的频率，越准确越好， C值偏大虽有利于振荡器的稳定，但将会增加起振时间。 （3）：应使C2值大于C1值，这样可使上电时，加快晶振起振。
2.晶振的基本原理
2.1. 晶振的原理
石英晶体之所以可以作为谐振器，是由于它具有正（机械能→电能）、反（电能→机械能）压电效应。沿 石英晶片的电轴或机械轴施加压力，则在晶片的电轴两面三刀个表面产生正、负电荷，呈现出电压，其 大小与所加力产生的形变成正比；若施加张力，则产生反向电压，这种现象称为正电效应。当沿石英晶 片的电轴方向加电场，则晶片在电轴和机械轴方向将延伸或压缩，发生形变，这种现象称为反压电效应。 因此，在晶体两面三刀端加上交流电压时，晶片会随电压的变化产生机械振动，机械振动又会在晶片内 表面产生交变电荷。由于晶体是有弹性的固体，对于某一振动方式，有一个固有的机械谐振频率。当外 加交流电压等于晶片的固有机械谐振频率时，晶片的机械振动幅度最大，流过晶片的电流最大，产生了 共振现象。石英晶片的共振具有多谐性，即除可以基频共振外，还可以谐频共振，通常把利用晶片的基 频共振的谐振器，利用晶片谐频共振的谐振器称为泛音谐振器，一般能利用的是3、5、7之类的奇次泛音。 晶片的振动频率与厚度成反比，工作频率越高，要求晶片越薄（尺寸越大，频率越低），，这样的晶片 其机械强度就越差，加工越困难，而且容易振碎，因此在工作频率较高时常采用泛音晶体。一般地，在 工作频率小于20MHZ时采用基频晶体，在工作频率大于20MHZ时采用泛音晶体。
晶体学基础知识
第3讲教学要求：1. 复习明确晶体和非晶体的概念2. 明确格子构造的概念以及与实际晶体构造之间的关系3. 大致了解晶体的分类知识4. 详细讲解并要求学生掌握记熟空间格子构造，熟练掌握14种布拉维格子的构造特点及晶格参数的特点5.熟练掌握晶面指数的标定步骤教学重点：晶体的概念、布拉维格子构造、晶面指数的标定教学难点：晶体学基础比较抽象，备课中需多准备形象立体感强的图形，讲解速度控制较慢，尽量引导学生课堂中记忆布拉维格子构造，通过例子联系晶面指数标定过程教学拓展：介绍《物相分析》、《材料研究方法》、《材料结构表征及应用》书中相应的部分以便学生课后参看讨论：课堂上提问学生所掌握的晶体学基础知识的内容，比较选修有关结晶学课程的学生和未选修结晶学课程学生掌握晶体学知识的范围差异，抽10分钟左右的时间讨论，以便掌握讲课难度和速度。
作业：1. 晶体和非晶体的概念？2. 熟练写出布7种拉维格子的名称和相应的晶格参数？晶体学基础知识一．晶体的定义与特征晶体的概念：人类对晶体的认识，是从石英开始的。
古代人们把外形上具有规则的几何多面体形态的石英（水晶）称为晶体。
后来，人们把凡是天然的具有几何多面体的固体，例如：石盐、方解石、磁石等都成为晶体。
本世纪初（1912），X射线衍射分析方法的应用研究了晶体内部结构后，发现：一切晶体不论其外形如何，它的内部质点（原子、离子、、分子）都是有规则排列的，即：晶体内部相同质点在三维空间均呈周期性重复，构成了格子构造。
因此，对晶体做出如下定义：晶体是内部质点在三维空间成周期性重复排列的固体。
或者：晶体是具有格子构造的固体。
∙晶体是原子或者分子规则排列的固体；∙晶体是微观结构具有周期性和一定对称性的固体；∙晶体是可以抽象出点阵结构的固体;∙在准晶出现以后，国际晶体学联合会在 1992年将晶体的定义改为：“晶体是能够给出明锐衍射的固体。
”非晶质体：晶体内部质点在三维空间不做规律排列，不具格子构造，称为非晶质体或非晶质。
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。
晶振重要基础知识点
晶振重要基础知识点晶振（Crystal Oscillator）是一种电子元件，作为电路中的重要组成部分，主要用于产生稳定的电信号。
在电子技术领域中，晶振是一项重要的基础知识点，对于电路的设计和工作原理具有关键性的影响。
以下是有关晶振的几个重要基础知识点。
1. 晶体的特性：晶振的核心部件是晶体，通常采用石英晶体。
晶体具有特殊的物理特性，能够产生稳定的振荡频率。
这是由于晶体的晶格结构和内部电荷特性决定的。
因此，晶体的选择对于晶振的性能和稳定性至关重要。
2. 振荡电路的构成：晶振一般包含振荡电路，该电路由晶体振荡器、放大电路和输出电路组成。
晶体振荡器是整个晶振的核心部件，用于产生基准频率信号。
放大电路用于放大振荡器输出的信号，以便提供足够的幅度和驱动能力。
输出电路则将放大后的信号输出给其他电路或系统。
3. 振荡频率和精度：晶振的一个关键参数是振荡频率，即晶体的振荡周期。
该频率取决于晶体的物理特性和电路参数。
晶振的精度取决于晶体的制作工艺和电路设计。
通常情况下，晶振的频率精度可以达到百万分之一甚至更高的水平。
4. 温度特性：晶振的频率通常会随着温度的变化而发生微小的变化，这是由晶体的温度特性决定的。
为了确保晶振在不同温度下的稳定性，通常会采取一些温度补偿措施，例如使用温度补偿电路或选择温度稳定性较好的晶体材料。
5. 应用领域：晶振在电子领域有广泛的应用。
最常见的应用是在时钟电路中，用于提供计时信号。
此外，晶振还用于无线通信设备、计算机系统、自动化控制系统等领域，为这些系统提供稳定的基准时钟信号。
综上所述，晶振作为电子领域的重要基础知识点，涉及晶体的特性、振荡电路的构成、振荡频率和精度、温度特性以及应用领域等方面。
深入理解和熟悉晶振的相关知识，对于电子工程师和电路设计师来说至关重要，能够帮助他们设计出稳定性高、性能优越的电子系统。
水晶基础知识
⽔晶基础知识 ⽔晶是⼀种⽆⾊透明的⼤型⽯英结晶体矿物。
那么你对⽔晶了解多少呢?以下是由店铺整理关于⽔晶知识的内容，希望⼤家喜欢! ⽔晶的简介 ⽔晶(rock Crystal)是⼀种⽯英(Quartz )结晶体矿物，它的主要化学成份是⼆氧化硅，化学式为SiO2。
西⽅国家认为只要是透明的都是⽔晶(Crystal)，所以⽔晶这个词包含了⽆⾊透明的玻璃(K9类，普通玻璃发蓝)，也包含天然的⽔晶矿⽯。
中国古⽼的⽔晶名称是⽔精、⽔碧、⽔⽟、晶⽯等⼗多种称呼，在《和汉三才图会》狻麑阵净化。
，因此，为了便于区分，国际上通常以(Rockcrystal)来特指天然⽔晶。
发育良好的单晶为六⽅锥体， 状或粒状集合体，⼀般为⽆⾊、灰⾊、乳⽩⾊，含其他矿物元素时呈紫、红、烟、茶等。
当⼆氧化硅结晶完美时就是⽔晶;结晶不完美的就是⽯英：⼆氧化硅胶化脱⽔后就是玛瑙;⼆氧化硅含⽔的胶体凝固后就成为蛋⽩⽯;⼆氧化硅晶粒⼩于⼏微⽶时，就组成⽟髓、燧⽯、次⽣⽯英岩。
⽔晶的性质 1、化学成分：⼆氧化硅，化学成分中含Si—46、7%，O—53、3%。
由于含有不同的混⼊物⽽呈现多种颜⾊。
紫⾊和绿⾊是由铁(Fe)离⼦致⾊，紫⾊也可由钛(Ti)所致，其他颜⾊由⾊⼼所致⾊。
2、矿物质成分：针铁矿、⾚铁矿、⾦红⽯、磁铁矿、电⽓⽯、⽯榴⽯、云母、绿泥⽯等形成了包裹体⽔晶，如发晶、钛晶、绿幽灵等，发晶中则含有⾁眼可见的似头发状的针状矿物的包裹体形成。
含锰和铁者称紫⽔晶;含铁者( ;呈⾦黄⾊或柠檬⾊)称黄⽔晶;含锰和钛呈玫瑰⾊者称蔷薇⽯英，即粉⽔晶;烟⾊者称烟⽔晶;褐⾊者称茶晶;⿊⾊透明者称为墨晶。
3、结构形态：结晶完美的⽔晶晶体属三⽅晶系，常呈六棱柱状晶体，，柱⾯横纹发育，柱体为⼀头尖或两头尖，多条长柱体连结在⼀块，通称晶簇，美丽⽽壮观，形状可谓是千姿百态。
4、光学性质： (1)颜⾊：⽔晶的颜⾊可有⽆⾊、紫⾊、黄⾊、粉红⾊、绿⾊、蓝⾊及不同程度的褐⾊直到⿊⾊。
石英晶体基础知识
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′。
石英晶体基础知识
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。
石英晶体的性质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。
石英晶体的结构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。
石英晶体的缺陷水晶常见的缺陷有：双晶、包裹体、裂隙、炸裂、贝裂等石英晶体谐振器工作原理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。
石英晶体谐振器的特性•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。
电气特性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。
石英晶体基础
石英晶体基础石英，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α石英和β石英具有压电效应，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, 就是水晶振荡器的设计与应用。
石英是由硅原子和氧原子组合而成的二氧化硅（Silicon Dioxide, SiO2）, 以32点群的六方晶系形成的单结晶结构﹝图一﹞.单结晶的石英晶体结构具有压电效应特性, 当施加压力在晶体某些方向时, 垂直施力的方向就会产生电气电位. 相对的当以一个电场施加在石英晶体某些轴向时, 在另一些方向就会产生变形或振动现象. 掌握单结晶石英材料的这种压电效应, 利用其发生共振频率的特性, 发挥其精确程度作为各类型频率信号的参考基准, 就是水晶震荡器的设计与应用. 因为石英晶体具有很高的材料Q值,所以绝大部份的频率控制组件,如共振子及振荡器,都以石英材料为基础. 以石英为基础的频率控制组件可以依其压电振动的属性, 可以分为体波(bulk wave)振动组件及表面声波(surface acoustic wave)振动组件. 体波振动组件如石英晶体共振子, 石英晶体滤波器及石英晶体振荡器, 表面波振动组件如表面波滤波器及表面波共振子. 当石英晶体以特定的切割方式, 以机械加工方式予以表面研磨, 完成特定的外型尺寸就是通称的石英芯片(quartz wafer 或quartz blank ). 将这个石英芯片放置在真空还境中, 于表面镀上电极后,再以导电材料固定在金属或是陶瓷基座上, 并加以封装, 就成为一般所谓的石英晶体共振子( quartz crystal resonator ). 利用石英共振子在共振时的低阻抗特性及波的重迭特性, 用邻近的双电极, 可以做出石英晶体滤波器. 将石英振荡子加上不同的电子振荡线路, 可以做成不同特性的石英振荡器. 例如: 石英频率振荡器(CXO), 电压控制石英晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO), 温度补偿石英晶体振荡器(Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO), 恒温槽控制石英晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO)…等. 相对于体波谐振的是表面声波的谐振. 将石英晶体表面镀以叉状电极(inter-digital-transducer, IDT)方式所产生的表面振荡波, 可以制造出短波长(高频率)谐振的表面声波共振子(SAW Resonator)或表面声波滤波器(SAW Filter).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。
石英表 原理
石英表原理石英表，又称石英振荡器，是一种利用石英晶体的谐振特性来产生稳定的振荡信号的电子元件。
它在现代科技领域有着广泛的应用，比如在通信、计算机、测量仪器等方面都扮演着重要的角色。
那么，石英表是如何工作的呢？接下来，我们将从石英晶体的结构和工作原理两个方面来详细解释。
首先，让我们来了解一下石英晶体的结构。
石英晶体是一种具有高度对称性的晶体，它由SiO2分子组成，呈现出六方晶系的结构。
石英晶体在晶体学中属于三方晶系，具有非常稳定的物理和化学性质。
在石英晶体内部，SiO2分子呈现出一定的排列规律，形成了晶格结构。
这种结构使得石英晶体具有压电效应和谐振效应，从而成为制作石英表的理想材料。
接着，我们来了解一下石英表的工作原理。
石英表的核心部件就是石英晶体，当石英晶体受到外部电压激励时，会产生压电效应，即晶体的尺寸会发生微小的变化。
这种压电效应会导致石英晶体内部产生机械振动，而这种振动会以一定的频率传播出去。
利用石英晶体的这种谐振特性，我们可以将其作为振荡器的基础元件，通过合适的电路和反馈控制，就可以产生稳定的振荡信号。
此外，石英表还具有温度补偿的特性。
由于石英晶体的谐振频率会受到温度的影响，因此在石英表的设计中通常会加入温度补偿电路，以保证石英表在不同温度下都能够保持稳定的工作状态。
这也是石英表能够在各种环境条件下都能够稳定工作的重要原因之一。
总的来说，石英表利用石英晶体的压电效应和谐振特性，通过合适的电路和控制手段，产生稳定的振荡信号。
它在现代电子技术中有着广泛的应用，为各种电子设备提供了稳定的时钟信号和频率标准。
随着科技的不断发展，石英表的性能和稳定性也在不断提高，将继续发挥着重要的作用。
石英晶体基础知识
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。
石英晶体产品基础知识(培训)_图文
5、输出波形 晶体振荡器有CMOS、TTL、CMOS/TTL兼容、PECL和正弦波输出。
6 、起动时间 晶体振器从起动到稳定输出的时间，用ms表示。
7 、上升时间 /下降时间 波形前沿/后沿在两规定电平之间变化的时间间隔，两个电平
石英晶体振荡器电路结构
六、产品主要参数
石英晶体谐振器的主要参数
• 1、标称频率 该频率特指晶体技术条件中规定的频率，表示为MHz或KHz。
• 2、调整频差 标称频率在一定温度（一般是25℃）下的允许偏差，表示为百分数（%）或百 万分之几（ppm）。
• 3、负载电容（CL） 与晶体一起决定负载谐振频率的有效外界电容。任何外部电容一旦与石英晶 体串联，即会成为其谐振频率的一个决定因素。负载电容变化时，频率也会 随之改变。因此，在电路中使用时，经常会以标准负载电容来微调频率至期 望值。
SC: +21056’/ +34005’
Z
BT
DT
+50X
R Z
r m
X GT
X
+500
+20X
NT
+50
+50
r
Y
m
+20
R
X
m
r
石英晶体的振动模式
各种切型的温频特性曲线图
常用切型介绍
1. AT切 厚度振动模式，其频率系数为：1650，频率公式：f=1670/t （t为厚 度） 具有高品质因数，温频特性（三次曲线），机械特性，基频一般小 于40M。
• 激励电平的大小直接影响石英谐振器的性能，所以电路设计者一定要严格控 制石英谐振器在规定的激励电平下工作，以便充分发挥石英谐振器的特点， 一般来讲，激励电平偏小对于长稳有利，激励电平稍大对于短温有利。
晶体结构基础知识
体密度（已知NiO摩尔质量为74.7g·mol-1)
解：在该晶体中最小正方体中所含的
Ni2+、O2－个数均为:4× 1 = 1 （个）
82
即晶体中每个小正方体中平均含有
1
个
2
NiO.其质量为: 74.7g × 1
6.02×1023 2
按带心型式分类，将七大晶系分为14种型
式。例如，立方晶系分为简单立方、体心(tǐ 立 xīn) 方和面心立方三种型式。
第十六页，共七十三页。
晶格(jīnɡ ɡé)的14种型 式
简单(jiǎndān)立 方
体心(tǐ xīn)立 方
面心立方
简单四方 体心四方
简单六方第十ຫໍສະໝຸດ 页，共七十三页。简单菱形简单(jiǎndān)正交底心正交
完全属于该 立方体
第三十四页，共七十三页。
小结 运(xi用ǎoji晶é)：胞可以将复杂的问题简单化，求晶体中微粒个数
比步骤如下： （1）找到晶体的最小重复(chóngfù)单元——晶胞： （2） 分析晶胞中各微粒的位置：
位于晶胞顶点的微粒，实际提供给晶胞的只有1/8；
位于晶胞棱边的微粒，实际提供给晶胞的只有1/4；
凝华(nínghuá)
硫（单斜硫）
S8
碘 I2
第九页，共七十三页。
水溶液析晶 CuSO4· 5H2O
晶体(jīngtǐ)的显微照片
第十页，共七十三页。
一、晶 体
晶体的宏观特征：
自范性：晶体能够自发地呈现封闭的规则的外形。 对称性：晶体理想外形中常常呈现形状和大小相同(xiānɡ tónɡ) 的等同晶面。 均一性：质地均匀，具有确定的熔点。 各向异性：晶体的一些物理性质因晶体取向不同而异。
晶体学基础第1章-课件1
晶体学基础绪论刘彤固体中的晶体气态：内部微粒（原子、分子、离子）无规运动液态：内部微粒（原子、分子、离子）无规运动固态：内部微粒（原子、分子、离子）振动自然界中绝大多数固体物质都是晶体。
如：食盐、冰糖、金属、岩石等。
¾单质金属和合金在一般条件下都是晶体。
¾一些陶瓷材料是晶体。
¾高聚物在某些条件下也是晶体。
“德里紫蓝宝石”如何在千姿百态的晶体中发现其规律？熔体凝固液相结晶晶体并非局限于天然生成的固体人工单晶飞机发动机叶片飞机发动机晶体的共同规律和基本特征?水晶石英晶体具有规则的凸多面体外形。
α石英的内部结构大球代表小球代表晶体的概念NaCl的晶体结构晶体（crystal）：其内部质点（原子、分子或离子）在3维空间周期性重复排列的固体。
也称具有格子构造的固体。
晶体材料：单晶，多晶¾在一个单晶体的范围内，晶格中的质点均呈有序分布。
多晶体内形成许多局限于每个小区域内的有序结构畴，但在畴与畴之质点的分布是无序的或只是部分有序的。
晶界（晶体缺陷）Be 2O 3非晶体Be 2O 3 晶体分子晶体（范德华力）晶体学的发展历史¾有文字记载以前，人们对矿物晶体瑰丽的色彩和特别的多面体外形引起了的注意，开始观察研究晶体的外形特征。
¾17世纪中叶，丹麦学者斯丹诺（steno）1669年提出面角守恒定律，这可以说是晶体学作为一门正式科学的标志，它找出了晶体复杂外形中的规律性，从而奠定了几何晶体学的基础。
¾1801年，法国结晶学家阿羽依（Haüy）基于对方解石晶体沿解理面破裂现象的观察，发现晶体学基本定律之一的整数定律。
¾1805-1809年，德国学者魏斯(Weiss)发现晶带定律以及晶体外形对称理论。
几何晶体学发展到了相当高的程度。
¾1830年，德国学者赫塞尔（Hessel)推导出描述晶体外形对称性的32种点群。
¾1837年，英国学者米勒（Miller）提出晶面在三维空间位置的表示方法---米勒指数。
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石英晶体基础
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α石英和β石英具有压电效应，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, 就是水晶振荡器的设计与应用。
石英是由硅原子和氧原子组合而成的二氧化硅（Silicon Dioxide, SiO2）, 以32点群的六方晶系形成的单结晶结构﹝图一﹞.单结晶的石英晶体结构具有压电效应特性, 当施加压力在晶体某些方向时, 垂直施力的方向就会产生电气电位. 相对的当以一个电场施加在石英晶体某些轴向时, 在另一些方向就会产生变形或振动现象. 掌握单结晶石英材料的这种压电效应, 利用其发生共振频率的特性, 发挥其精确程度作为各类型频率信号的参考基准, 就是水晶震荡器的设计与应用. 因为石英晶体具有很高的材料Q值,所以绝大部份的频率控制组件,如共振子及振荡器,都以石英材料为基础. 以石英为基础的频率控制组件可以依其压电振动的属性, 可以分为体波(bulk wave)振动组件及表面声波(surface acoustic wave)振动组件. 体波振动组件如石英晶体共振子, 石英晶体滤波器及石英晶体振荡器, 表面波振动组件如表面波滤波器及表面波共振子. 当石英晶体以特定的切割方式, 以机械加工方式予以表面研磨, 完成特定的外型尺寸就是通称的石英芯片(quartz wafer 或quartz blank ). 将这个石英芯片放置在真空还境中, 于表面镀上电极后,再以导电材料固定在金属或是陶瓷基座上, 并加以封装, 就成为一般所谓的石英晶体共振子( quartz crystal resonator ). 利用石英共振子在共振时的低阻抗特性及波的重迭特性, 用邻近的双电极, 可以做出石英晶体滤波器. 将石英振荡子加上不同的电子振荡线路, 可以做成不同特性的石英振荡器. 例如: 石英频率振荡器(CXO), 电压控制石英晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO), 温度补偿石英晶体振荡器(Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO), 恒温槽控制石英晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator, OCXO)…等. 相对于体波谐振的是表面声波的谐振. 将石英晶体表面镀以叉状电极(inter-digital-transducer, IDT)方式所产生的表面振荡波, 可以制造出短波长(高频率)谐振的表面声波共振子(SAW Resonator)或表面声波滤波器(SAW Filter).
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。
2.石英晶体的结构
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。
表石英晶体各晶面法线之间的夹角计算值和测量值(《压电石英晶体》秦自楷1980，p3) 夹角计算值测量值夹角计算值测量值
mm 60°0’60°0’Rx 54°51’—
mR 38°13’38°13’Rr 46°16’46°18’
mr 38°13’38°13’sR 28°54’28°58’
ms 37°58’37°55’Sr 28°54’28°58’mx 12°1’12°1’sx 25°57’25°54’
采用布拉维-米勒指数和三角轴系，Z轴与三根X轴构成坐标系。
晶体中任一平面与四
根坐标轴的每一根相交，若平面同一根轴平行，则交点中包含无限远点。
因此布拉维-米勒（B-M）指数就是一组四个数字，它们依次正比于平面同X1、X2、X3和Z轴相交点倒数
的最小整数。
在B-M系中，前三个指数的代数和必为零。
因此第三个数字通常不写出而用
一个点代替。
若B-M指数中出现负号，则通常将负号置于数字之上。
由于石英具有对映性
的特点，所以在建立坐标系的时候，必须考虑石英的左、右旋，若右旋晶体用右旋坐标系，
左旋晶体用左旋坐标系，则所有物理特性的系数值及它们之间的数学关系就是一样的。
IEEE
标准委员会建议下述规范可用于石英晶体：1右旋坐标系用于描述右旋石英晶体的物理特性，左旋坐标系用于左旋石英；2在右旋坐标系中，从旋转轴的正端观察，正旋转是逆时针
方向的。
由于石英结构的独特螺旋形特征，因此把Z轴的那一端定为正方向均是一样的，即：Z轴正方向交换的话，右螺旋还是右螺旋。
（《石英晶体元件设计导论》维吉尔E. 波
托姆著潘景程译，北京：宇航出版社1987年p18-19）
表：2.2 石英自然面的B-M指数
m(Y) R r X Z s(没搞清) x(没搞清)
1 (1010)
(1010)
(0111) (1011) (2110)
(0001)
(11.1) (5161)
2 (1100)
(1100)
(1011) (1101) (1210) (12.1) (65.1)
3 (0110)
(0110)
(1101) (0111) (1100) (2111) (16.1)
各晶面面网密度（原子密度）大小次序是：（《结晶化学导论》第三版钱逸泰合肥：中国科学技术大学出版社2005，p69）
{1010}(m), {1011}(r), {1120}, (1012), {1121}(s), {001}(Z)
2.石英的原子结构
石英的原子结构是以硅氧原子链组成双螺旋为单元向周围空间扩张。
3.石英的切型
依据不同的应用领域及工作温度需求, 因应了许多不同的石英切割角度种类. 例如AT-, BT-, CT-, DT-, NT, GT…..等不同的切割板片. 不同的切割方向的板片具有不同的弹性常数
张量(elastic constant tensor), 不同的压电常数张量(piezoelectric constant tensor)及不同的介电常数张量(dielectric constant tensor). 这些张量在石英组件的设计及应用上展现了不同的振荡及温度特性. (图三)表现了在Z-plat石英结构上,几种不同方向的石英板片切割方式.
石英切割的种类和角度, 会影响到所制作芯片的频率稳定性, 及重要特性参数. 通常客户所要求的规格, 如芯片频率偏移量与温度变化的关系, 以及芯片电气特性参数, 就是决定石英切割种类与角度的主要因素, 其切割的种类与角度如图所示
IRE标准规定的切型符号包括一组字母（x、y、z、t、l、w）和角度。
用x、y、z中任意二个字母的先后排列来表示石英晶片厚度和长度的原始方向；用字母t（厚度）、l（长度）、w（宽度）来表示旋转轴的位置。
当角度为正时则表示逆时针旋转；当角度为负时则表示顺时针旋转。
晶片的主平面可以是由XZ平面绕X轴旋转φ角而成，称为一次旋转;也可以是由XZ平面绕X轴旋转φ角再绕Z轴旋转φ’角而成，称为二次旋转。
根据谐振器振子从石英晶体上取材方位的不同，石英谐振器被划分为很多种切型。
若按图2-3所示的方式旋转，根据旋转角度的不同，可以分为两大类切型，即单次旋转切型(又称旋转Y切型)和双次旋转切型。
在旋转Y切型中，常用的有AT切型(φ=35.25°),BT切型(φ= -49.2°)等;在双次旋转切型中有FC切型(φ=34.33°，φ’=15°)、IT切型(φ=34.08°, φ’=19.1°)和SC切型(φ= 33.08°，φ’=22.4°)等。
4.石英晶体的缺陷
水晶常见的缺陷有：双晶、包裹体、裂隙、炸裂、贝裂等。