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。

（3）磷石英，当对β石英加温超过870℃，β石英变为磷石英，它在870℃～1470℃之间为稳态。

（4）方石英，当对磷石英加温超过1470℃时，磷石英变为方石英，它在1470℃～1710℃之间为稳态。（5）石英玻璃，当对方石英加温超过1710℃时及以后即开始溶化，熔化后的石英，将温度降低也不能上述五种形态可用下式开示：

573℃ 870℃ 1470℃ 1710℃

α石英β石英磷石英方石英石英玻璃

由此看出，我们常用的α石英，其临界温度为573℃。若超过这一温度，它将失去压电效应，这是我们在加工过程中必须十分注意的问题。

第三节石英晶体的物理特性

各向异性是石英晶体典型的物理特性，它具有以下物理常数。即：

⑴、密度率：2.649克/立方百米；

⑵、折射率:1.553(或1.5574),有旋光性；

⑶、声速:V=E/e E为杨氏系数,随方向改变有不同的取值；

⑷、热膨胀系数：平行于光轴X=77.10×10(0℃时) 垂直于光轴X=15.24×10(0℃时)；

⑸、绝缘性能:平行于光轴R=1×10欧姆.厘米垂直于光轴R=2×10欧姆.厘米；

⑹、导热性能:没Z方向比沿垂直Z方向的导热性约大一倍；

⑺、弹性性能:其杨氏系数在各截面上是不相同。

第四节石英晶体的化学特性

石英晶体的化学性能稳定，不受强酸的腐蚀，在一般情况下不溶解于水，不产生潮解，但石英晶体在氢氟酸和水玻璃中能够溶解，因此，在加工过程中我们常用氢氟酸（HF）作石英晶体的腐蚀剂，其化学反应式如下：

(1)Si02+6HF=SiF4+2H20+2HF=H2SiF6+2H20

(2)Si02+4HF=SiF4+2H20 3SiF4+3H20=H2Si02+2H2SiF6

上述的溶解特性对石英也是各向异性的，沿光轴方向的溶解速度比沿垂直光轴方向要快100倍；电轴方向慢，而且电轴的负端比正端腐蚀速度还要慢。

第五节石英晶体的机械特性

石英晶体的硬度为莫氏硬度七级，有良好的机械性能，但性脆，易碎裂，加工中要特别注意。由于石英

第六节石英晶体的缺陷

上述石英晶体的一些特性都是对无缺陷的石英晶体而言,但实际上这种理想的石英在自然界是很少见,实际见到的多数都有某种缺陷,即使是人造石英也难以做到没有缺陷,常见的缺陷有:

(1)双晶:即两个以上的晶体按一定的取向而生长的现象,其中两光轴平行共生的有道芬双晶,巴西双晶;而两

光轴成一定的角度而共生的有日本双晶等.

(2)兰针:在晶体中呈现兰色的针状物,(当光线通过晶体除兰色光外,其余的光线被吸收),称兰针.

(3)节瘤:在晶体中出现彼此大致平行的晶块,好似小晶体块嵌在大晶块之中,称节瘤.

(4)包裹体:在晶体中呈现不均一的裹物,常见的包裹体有固体、液体、气体三种，这些物体在晶体中破坏了

晶体的均一性。

(5)裂隙：在晶体中看似缝隙的痕物现象，称裂隙，有开口裂隙和闭口裂隙两种情况，在制造石英谐振器时

是不允许有裂隙存在。

(6)幻境：晶体生长过程中多次中断的痕迹，但它并不破坏晶格的完整性，若无其它毛病，这种晶体还是可

以利用的。

上述缺陷均应在选料和加工的过程中，通过检查及时发现和处理。

第七节 AT切石英谐振器的特点

AT 切石英谐振器属于厚度切变的理论、机电特性、规格设计、制造工艺、应用条件等已完善，成为当今压电技术领域中应用最广泛的一种切型。

一、AT切同其它切型相比，它具有以下特点：

1、在很宽的温度范围内（-55～+125℃）具有良好的频率温度特性，因此无需进行温度补偿，就能满足许多