石英：學(xué)名二氧化硅

石英是自然界分布的物質(zhì)之一。它有五種變體（β石英、α石英、α磷石英、方石英、溶煉石英），其中只有β石英才具有壓電效應(yīng)， 當(dāng)施加壓力在晶片表面時(shí) , 它就會(huì)產(chǎn)生電氣電位 , 相對(duì)的當(dāng)電位加在芯片表面時(shí) , 它就會(huì)產(chǎn)生變形或振動(dòng)現(xiàn)象 , 掌握這種振動(dòng)現(xiàn)象 , 控制其發(fā)生頻率的快慢 , 以及精確程度 , 就是水晶振蕩器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

石英晶體的性質(zhì)

石英晶體的化學(xué)性質(zhì)極為穩(wěn)定，常溫下不溶于鹽酸、硝酸、硫酸等水和酸，只溶于*。在加熱時(shí)石英晶體能溶于堿溶液，這個(gè)特點(diǎn)成為人造水晶的基礎(chǔ)。因此現(xiàn)在一般采用*氨對(duì)石英晶體進(jìn)行腐蝕。

石英晶體的壓電效應(yīng)

石英材料中的二氧化硅分子在正常狀態(tài)下，其電偶極是相互平衡的電中性。二氧化硅是以二維空間的簡(jiǎn)化圖形。當(dāng)我們?cè)诠柙酉路椒謩e給予正電場(chǎng)及負(fù)電場(chǎng)時(shí)，空間系統(tǒng)為了維持兩個(gè)氧原子會(huì)相互排斥，在氧原子下方形成一個(gè)感應(yīng)正電場(chǎng)區(qū)域，同時(shí)在硅原子上方產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)電場(chǎng)區(qū)域。相反的情況，當(dāng)我們?cè)诠柙由戏郊把踉酉路椒謩e給予負(fù)電場(chǎng)及正電場(chǎng)時(shí)，兩個(gè)氧原子會(huì)相互靠近，氧原子下方產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)電場(chǎng)，硅原子上方產(chǎn)生感應(yīng)正電場(chǎng)。然而，氧原子的水平位置變化時(shí)，鄰近的另一個(gè)氧原子會(huì)相對(duì)的產(chǎn)生排斥或吸引的力量，迫使氧原子回到原來(lái)的空間位置。因此，電場(chǎng)的力量與原子之間的力量會(huì)相互牽動(dòng)，電場(chǎng)的改變誰(shuí)水平方向的形變是形成交互作用狀態(tài)。這個(gè)交互作用會(huì)形成一個(gè)石英材料耗能最小的振動(dòng)狀態(tài)，只要由電場(chǎng)持續(xù)給予能量，石英材料就會(huì)與電場(chǎng)之間維持一個(gè)共振的頻率。

壓電效應(yīng)下的氧原子的振幅與電場(chǎng)強(qiáng)度及電場(chǎng)對(duì)二氧化矽的向量角度有相對(duì)應(yīng)的關(guān)系，在實(shí)際應(yīng)用上，電場(chǎng)是由鍍?cè)谑⒕系慕饘匐姌O產(chǎn)生，電場(chǎng)與二氧化硅的向量角度則由石英晶棒的切割角度決定。

石英是由硅原子和氧原子組合而成的二氧化硅( Si02)，以32點(diǎn)群的六方晶系形成的單結(jié)晶結(jié)構(gòu)、單結(jié)晶的石英晶體結(jié)構(gòu)具有壓電效應(yīng)特性，當(dāng)施加壓力在晶體某些方向時(shí)，垂直施力的方向就會(huì)產(chǎn)生電氣電位。相對(duì)的當(dāng)以一個(gè)電場(chǎng)施加在石英晶體某些軸向時(shí)，在另一些方向就會(huì)產(chǎn)生變形或振動(dòng)現(xiàn)象，掌握單結(jié)晶石英材料的這種壓電效應(yīng)，利用其發(fā)生共振頻率的特性，發(fā)揮其精確程度作為各類型頻率信號(hào)的參考基準(zhǔn)，就是水晶振蕩器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

因?yàn)槭⒕w具有很高的材料Q值，所以絕大部份的頻率控制元件，如石英晶體諧振器及石英晶體振蕩器，都以石英材料為基礎(chǔ)以石英。以石英為基礎(chǔ)的頻率控制元件可以依其壓電振動(dòng)的屬性，可以分為體波(bulk wave)振動(dòng)元件及表面聲波(surface acoustic wave)振動(dòng)元件。體波振動(dòng)元件如石英晶體諧振器，石英晶體振蕩器及石英晶體濾波器。當(dāng)石英晶體以特定的切割方式，以機(jī)械加工方式予以表面研磨，完成特定的外型尺寸就是通稱的石英晶片(quartz wafer或quartz blank)。將這個(gè)石英晶片放置在真空環(huán)境中，于表面鍍上電極后，再以導(dǎo)電材料固定在金屬或是陶瓷基座上，并加以封裝，就成為一般所謂的石英晶體諧振器( quartz crystal resonator)。

利用石英晶體諧振器在共振時(shí)的低阻抗特性及波的重疊特性，用鄰近的雙電極，可以做出石英晶體濾波器。將石英晶體諧振器加上不同的電子振蕩線路，可以做成不同特性的石英晶體振蕩器，例如:壓控晶體振蕩器(Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO),溫度補(bǔ)償石英晶體振蕩器(Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO），恒溫槽控制石英晶體振蕩器(Oven Controlled Crystal Oscillatory， OCXO)。

經(jīng)由不同的石英切割角度及不同電極形狀的電場(chǎng)效應(yīng), 石英晶片展現(xiàn)了各種不同的振動(dòng)模態(tài). 以經(jīng)常產(chǎn)生的振動(dòng)模態(tài)可以概分為擾曲模態(tài)(flexure mode), 伸縮模態(tài)(extension mode), 面剪切模態(tài)(face shear mode) 和 厚度剪切模態(tài)(thickness shear mode). 這幾種振動(dòng)模態(tài)以簡(jiǎn)單的方法在表一中可以看到. 在實(shí)際狀況中, 石英晶片并不是一定只有單一種振動(dòng)模態(tài), 而可能有多種模態(tài)同時(shí)存在于一個(gè)石英晶片的振蕩中, 經(jīng)由適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì),可以壓制其他不希望產(chǎn)生的振動(dòng)模態(tài)(unwanted mode), 來(lái)達(dá)到主要振動(dòng)模態(tài)化化。

石英晶體溫度特性

大部份的石英晶體產(chǎn)品是用於電子線路上的參考頻率基準(zhǔn)或頻率控制元件, 所以,頻率與工作環(huán)境溫度的特性是一個(gè)很重要的參數(shù). 事實(shí)上, 良好的頻率與溫度(frequency versus temperature)特性也是選用石英做為頻率元件的主要因素之一. 經(jīng)由適當(dāng)?shù)亩x及設(shè)計(jì), 石英晶體元件可以很容易的就滿足到以百萬(wàn)分之一 (parts per million, ppm) 單位等級(jí)的頻率誤差范圍. 若以離散電路方式將LCR零件組成高頻振蕩線路, 雖然也可以在小量生產(chǎn)規(guī)模達(dá)到所需要的參考頻率信號(hào)誤差在ppm或sub-ppm等級(jí)要求, 可是這種方式無(wú)法滿足產(chǎn)業(yè)要達(dá)到的量產(chǎn)規(guī)模. 石英元件的頻率對(duì)溫度特性更是離散振蕩線路無(wú)法簡(jiǎn)易達(dá)成的. 在(圖四) 中提供了數(shù)種不同的石英晶體切割角度的頻率對(duì)溫度特性曲線。

石英晶體振動(dòng)模式

經(jīng)由不同的石英切割角度及不同電極形狀的電場(chǎng)效應(yīng), 石英晶片展現(xiàn)了各種不同的振動(dòng)模態(tài). 以經(jīng)常產(chǎn)生的振動(dòng)模態(tài)可以概分為擾曲模態(tài)(flexure mode), 伸縮模態(tài)(extension mode), 面剪切模態(tài)(face shear mode) 和 厚度剪切模態(tài)(thickness shear mode). 這幾種振動(dòng)模態(tài)以簡(jiǎn)單的方法在表一中可以看到. 在實(shí)際狀況中, 石英晶片并不是一定祇有單一種振動(dòng)模態(tài), 而可能有多種模態(tài)同時(shí)存在于一個(gè)石英晶片的振蕩中, 經(jīng)由適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì),可以壓制其他不希望產(chǎn)生的振動(dòng)模態(tài)(unwanted mode), 來(lái)達(dá)到主要振動(dòng)模態(tài)化化。

石英晶體諧振器工作原理

如果把交變電壓施加于石英晶片兩個(gè)電極之間，當(dāng)交變電壓的頻率與石英晶片固有振動(dòng)頻率一致時(shí)，通過(guò)逆壓電效應(yīng)，晶片便產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。同時(shí)又通過(guò)正壓電效應(yīng)而輸出電信號(hào)。