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。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