石英晶体基础知识

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1、石英晶体谐振器基础知识培训教材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講座版（共8页）2007年7月1日第一章石英晶体的基本特性8石英晶体谐振器基础知识培训教材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轴的正端面出现正电荷（晶体的剪切振动就是按此激起的）。++++++++++++图1-1晶体加外力示意图上述现象表明石英晶体是一种各向异性的结晶体，它

2、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=k1x﹎﹍(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

3、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

4、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

5、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；8石英晶体谐振器基础知识培训教材⑶、声速:V=E/eE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=1

6、5.24×10(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。第二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+2H203Si

7、F4+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。第三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。由于石英晶体的硬度较高，帮通常采用高于它的硬度的磨料来研磨和切削。常用磨料见下表：磨料名称硬度特征碳化硼（BC）10绿色天然金刚砂（C）10效率高寿命长天然金刚砂（AL203）7-9常用天然白刚玉（AL203）9破坏层大人造白刚玉（AL203）9白色人造碳化

8、硅（SiC）9.5～9.75浅绿或灰色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