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′。
石英晶体存在一个三次对称轴C 和三个互成120°的轴a、b、d，在讨论石
英晶体的物理性质时，采用下图所示的直角坐标系较为方便，选C 轴为z 轴，a （或b、d）轴为X 轴，与X 轴Z 轴垂直的Y 轴，其指向按1949 年IRE 标准规 定，对左右旋晶体均采用右手直角坐标系。 如图：a、b、c、d 为晶体坐标系 X、Y、Z 为直角坐标系
⑤ 具有双折射现象：
但当光沿Z 轴方向射入时不发生双折射现象，所以又称Z 轴为光轴。
⑥ 石英晶体的密度ρ=2.65g/cm2，硬度为莫氏硬度7，在常温常压下不溶于三酸 （HCL,H2SO4,HNO3），属于溶解度极小的物质，但是氢氟酸和氟化氢铵却是石英
晶体良好的溶解液，其化学反应方程式
SiO2+4HF=SiF4+2H2O （3SiF4+3H2O=H2SiO3+2H2SiF6） SiO2+4HF+2NH4F=（NH4）2SiF6+2H2O 其特性用于石英片的腐蚀。 2、石英晶体的振动模式：
石英晶片在电场作用下，由于内部产生应力而形变，从而产生机械振动，晶片 的振动都是单纯的周期振动，所谓周期（T）就是机械波在传播过程中完成一次循环所需的时间，周期的倒数f 是单位时间内振动的次数，我们称为频率，单位是Hz（赫兹）或千赫兹（KHz）或兆赫兹（MHz），石英晶体的振动形式有伸缩振动、弯曲振动、面切变振动和厚度切变振动，按照不同的使用要求，石英谐振器的频率f从几千赫兹到几百兆赫兹，采用不同的振动模式和不同的晶片尺寸来实现产品所要求的频率。
① 长度伸缩振动模式：
当晶片的长度L＞＞t（厚度）及W 宽度时，其振动模式的频率f∝1/L 即fn=nKr/L（n=1、2、3?）
例：X+5°Kr=2820KHz,mm 频率范围50~400KHZ
② 弯曲振动模式
当L＞＞t，W 时f∝W/L2 fn=nKW/L2 （n=1、2、3…）
例：NT5°/-50° Kr=4488~5590（W/L：0.11~0.33） （KHz,mm） 频率范围：16MHz~100KHz
③ 面切变振动模式 t＜＜L.W 时
频率方程：f∝1/L fn=nKr/L （n=1、2、3…） 例：CT37°30′ Kr=3082KHz.mm（W/l=1） 频率范围100KHz~600KHz
④ 厚度切变振动模式：
频率f∝1/t 即fn=nKr/t （n=1、2、3…） 例：AT 35° Kr=1670KHz,mm 频率范围500KHz~350MHz BT -49° Kr=2650KHz,mm 频率范围 3MHz~75MHz
3、石英晶片的切型
石英晶片对晶体坐标轴某种方位的切割称为石英晶片的切型。由于石英晶体的 各向异性，不同切型的石英片，因其弹性性质，压电性质，温度性质不同，其电 特性和热特性也各异。
下图表示的是各种切型的位置：
① 切型符号表示：
石英晶体的切型符号有两种表示方法，一种是IRE 标准规定的符号表示法，另一种是石英晶体所特有的习惯符号表示法。IRE 规定的切型符号用一组字母（XYZlWt）和角度表示，用XYZ 中三个字母的先后排列来表示晶片的厚度和长度沿坐标轴的原始方位，用t（厚度）、l（长度）、W（宽度）来表示旋转的方位，角度的正号表示逆时针旋转、负号表示顺时针旋转。 例：（Yxl）35° 原始晶片角度：Y 方向
原始晶片长度：X 方向