石英晶体基础知识详解：从结构到应用
石英晶体基础知识详解：从结构到应用
石英晶体是一种具有重要应用价值的材料，广泛应用于电子设备的频率控制组件中。本文将详细介绍石英晶体的基础知识，包括其化学性质、结构、切形、工作原理以及不同类型石英晶体振荡器的特点。
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(如下图)：
单结晶的石英晶体结构具有压电效应特性，当施加压力晶在晶体某些方向时，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)。
石英晶体的性质
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。
石英晶体的结构
石英晶体的理想外型见下图，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下表。
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。
石英晶体原子面
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)
石英晶体的原子结构
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。
石英晶体的切形
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张量(elastic constant tensor),不同的压电常数张量(piezoelectric constant tensor)及不同的介电常数张量(dielectric constant tensor).这些张量在石英组件的设计及应用上展现了不同的振荡及温度特性。(下图所示)表现了在Z-plat石英结构上,几种不同方向的石英板片切割方式。
石英切割的种类和角度，会影响到所制作芯片的频率稳定性，及重要特性参数. 通常客户所要求的规格，如芯片频率偏移量与温度变化的关系，以及芯片电气特性参数，就是决定石英切割种类与角度的主要因素,其切割的种类与角度如下图所示：
IRE标准规定的切型符号包括一组字母(x、y、z、t、1、w)和角度。用x、y、z中任意二个字母的先后排列来表示石英晶片厚度和长度的原始方向;用字母t(厚度)、1(长度)、w(宽度)来表示旋转轴的位置。当角度为正时则表示逆时针旋转;当角度为负时则表示顺时针旋转。
晶片的主平面可以是由XZ平面绕X轴旋转4角而成,称为一次旋转;也可以是由XZ平面绕X轴旋转 角再绕Z轴旋转 角而成,称为二次旋转。根据谐振器振子从石英晶体上取材方位的不同,石英谐振器被划分为很多种切型。若按图2-3所示的方式旋转,根据旋转角度的不同,可以分为两大类切型,即单次旋转切型(又称旋转Y切型)和双次旋转切型。在旋转Y切型中,常用的有AT切型(4-35.25" ),BT切型(- -49.2" )等;在双次旋转切型中有FC 切型(p=34.33° , '=15° ), IT 切型(p=34.08" , φ'=19.1° )和 SC 切型(φ= 33.08° ,φ’=22.4° )等。
石英晶体的基本特性
（1） 石英晶体特有的正、 反两种压电效应。
正压电效应：当沿晶体的电轴或机械轴施以张力或压力时， 就在垂直于电轴的两面上产生正、 负电荷， 呈现出电压。
负压电效应：当在垂直于电轴的两面上加交变电压时， 晶体将会沿电轴或机械轴产生弹性变形（ 伸张或压缩） ， 称为机械振动。
（2） 石英晶体具有谐振回路的特性
石英晶体存在着固有振动频率。当晶体几何尺寸和结构一定时，它本身有一固定的机械振动频率。当外加电信号频率在此自然频率附近时，就会发生谐振现象。它既表现为晶片的机械共振，又在电路上表现出电谐振。 这时有很大的电流流过晶体， 产生电能和机械能的转换。
（3） 具有较小的频率温度特性
石英晶体温度系数小和低噪声，石英晶体振荡器的频率稳定度可达到10 -5数量级以上，具有很高的品质因数，产生几十kHz几百MHz的振荡频率。
（4） 石英晶体的等效电路
当晶体不振动时，可以看成是一个平板电容器Co，称为静电电容。Co与晶片的几何尺寸和电极面积有关。
Co——静态电容和支架引线等分布电容之和，一般约2～5PF。
Cq ——动态电容， 表征晶体的弹性， 值很小，在10﹣ pF以下。
Lq ——动态电感， 表征晶体的质量， 值较大，在几十mH ～几百H。
rq ——动态电阻，机械摩擦和空气阻尼引起的损耗，阻抗很小，几～几百欧。
Lq1、Cq1、rq3——晶体基频等效电路。
CLq3、Lq3、rq3——晶体三次泛音等效电路。
石英晶体的缺陷
水晶常见的缺陷有:双晶、包裹体、裂隙、炸裂、贝裂等。
石英晶体的工作原理
石英晶体若在晶片的两侧施加机械压力，则在晶片相应的方向上将产生电场，这种物理现象称为压电效应，晶振就是根据压电效应研制而成。如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，比其他频率下的振幅大得多，这种现象称为压电谐振，它与LC回路的谐振现象十分相似。它的谐振频率与晶片的切割方式、几何形状、尺寸等有关。
石英晶体振荡器类型特点
石英晶体振荡器是由品质因素极高的石英晶体振子（即谐振器和振荡电路组成。晶体的品质、切割取向、晶体振子的结构及电路形式等，共同决定振荡器的性能。国际电工委员会（IEC）将石英晶体振荡器分为4类：普通晶体振荡（TCXO），电压控制式晶体振荡器（VCXO），温度补偿式晶体振荡（TCXO），恒温控制式晶体振荡（OCXO）。目前发展中的还有数字补偿式晶体损振荡（DCXO）等。
普通晶体振荡器（SPXO）可产生10^(-5)～10^(-4)量级的频率精度，标准频率1—100MHZ，频率稳定度是±100ppm。SPXO没有采用任何温度频率补偿措施，价格低廉，通常用作微处理器的时钟器件。封装尺寸范围从21×14×6mm及5×3.2×1.5mm。
电压控制式晶体振荡器（VCXO）的精度是10^(-6)～10^(-5)量级，频率范围1~30MHz。低容差振荡器的频率稳定度是±50ppm。通常用于锁相环路。封装尺寸14×10×3mm。
温度补偿式晶体振荡器（TCXO）采用温度敏感器件进行温度频率补偿，频率精度达到10^(-7)～10^(-6)量级，频率范围1—60MHz，频率稳定度为±1～±2.5ppm，封装尺寸从30×30×15mm至11.4×9.6×3.9mm。通常用于手持电话、蜂窝电话、双向无线通信设备等。
恒温控制式晶体振荡器（OCXO）将晶体和振荡电路置于恒温箱中，以消除环境温度变化对频率的影响。OCXO频率精度是10^(-10)至10^(-8)量级，对某些特殊应用甚至达到更高。频率稳定度在四种类型振荡器中最高。