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   台湾晶技晶振英文名称TXC晶振,成立于1983年,专业生产石英晶振,贴片晶振,石英晶体谐振器,石英晶体振荡器,有源晶振等频率元件.所生产的晶振产品具有起振快,高品质,低损耗,高精度等特点,是国内上百家大型知名企业指定晶振品牌.

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石英贴片晶振在安防系统中的作用至关重要.比如上面我们所提到的感应卡门禁内部就有用到圆柱晶振32.768K系列,这里大多客户会选择5PPM,10PPM高精度晶振,比如VT-200-F精工晶体,C-002RX爱普生晶振等2x6mm都是客户优先选择的对象.

安防系统中的视频监控用到比较多的就是32.768K贴片晶振,这里根据种类可选择3215晶振封装,4115晶振封装,7015晶振封装,常见型号比如SC-32S晶振,MC-146晶振,SSP-T7晶振,DST310S晶振,MC415晶振等等.MHZ晶振系列常用封装有3225贴片晶振,2520贴片晶振等,16M石英晶振,26M石英晶振等频率是较为常用的,在监控摄像中起到存储作用,小小的体积满足网络摄像对于小型化的要求,具有精度稳定,低功耗,高可靠使用特性等优势.

关于智能家居中用到的晶振有兴趣可以到亿金新闻动态中查看,在前面的文章中我们有提到过关于贴片晶振的用途以及智能家居中用哪些石英贴片晶振.更有晶振选型,晶振原厂代码等资料信息免费提供下载.

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采用离子刻蚀进行晶振频率微调,在刻蚀后晶振的频率会发生偏移。这会使频率调整精度低于真空蒸着频率调整法。如图4-4所示,离子刻蚀后石英晶振频率会产生偏移,纵轴表示与目标频率的偏差,单位是pm。在刻蚀前,石英晶振的频率相对于目标频率是负的。在调整时,一边用测频系统测定石英晶振的频率,一边用离子束照射石英晶振的电极膜, 电极膜被刻蚀,频率随之升高。当刻蚀停止后,会出现频率下降的现象。刻蚀刚停止的几秒内,频率下降较快,随后下降会渐渐变缓,最后趋于稳定,不再变化。这种离子刻蚀后频率偏移的原因比较复杂,其原因之一是因为离子刻蚀时对晶振晶片产生的热应力。其理论依据比较深奥,在此不做讨论。本文主要通过实验,找出频率偏移的规律,对石英晶振进行离子刻蚀加工时设定合适的参数,使得这种偏移在实际应用中产生尽可能小的影响。

现在用AT方向切割的石英晶片做成的石英晶振进行实验,用离子束对晶片进行刻蚀,统计出蚀刻速度与频率偏移的联系。

实验对象:A品种的石英晶振使用的晶片是长方形,尺寸为长1996u±3u,宽1276u±2a,晶片厚度为62.04u。目标频率为26.998380MHz。晶片先用昭和真空生产的磁控溅射镀膜机SPH-2500进行镀膜,为了提高镀层密着性,先镀少量的铬膜, 然后按频率要求镀银膜,总膜厚约为1.73u。使得在离子束刻蚀加工前的频率与目标频率的差为2000ppm~300ppm之间。

实验设备:离子束刻蚀频率微调机使用昭和真空生产的SFE-6430T。离子枪的加速钼片到晶片表面的距离为25mm,氩气流量为0.35SCCM。

首先,进行较大刻蚀速度对石英晶振,贴片晶振进行刻蚀的实验,测得偏移量。如表4和图4÷5所示当刻蚀速度在1000ppm/s到2000ppm/s的范围,离子刻蚀后的偏移量随着刻蚀速度的增加而有很大的升高。如当刻蚀量为2000ppm时,频率偏移量山刻蚀速度为1000ppm/s的35.8ppm快速增长到刻蚀速度为2000ppm/s的89.8ppm。当刻蚀量为3000ppm时,频率偏移量便会超过100pm。此外,从图4-5中可以看出,在同一刻蚀速度下,刻蚀后的频率偏移量还会随刻蚀量的增加呈线性升高。

其次,进行较低刻蚀速度对石英晶体,石英晶体谐振器进行刻蚀的实验,测得偏移量。如表4-2和图4-6所示,与高速时的情况类似,刻蚀速度增加时,刻蚀后的偏移量也会随之增加。并且,在同一刻蚀速度时,刻蚀后的偏移量也随刻蚀量的增加而线性增大。从图表中可以看出,刻蚀速度减小后,刻蚀后的偏移量也会减小很多。当刻蚀速度减小到80ppm/s时,刻蚀量为200pm时,刻蚀后偏移量仅为2.5pm。如果进一步控制刻蚀量,当刻蚀量降到100ppm时,刻蚀后偏移量仅为0.2ppm,基本接近于0。因此在实际生产时,如果能将刻蚀速度控制到80pm/s,刻蚀量控制在100pm以下, 晶振的离子束刻蚀后的频率偏差较大,且公差范围较小,为了减少离子束刻蚀后频率偏移产生的影响,提高产品的精度,可以采用3段加工模式,但是生产效率会有所降低)。

晶振离子刻蚀两段加工模式如图4-7所示,首先进行H段加工,用高的刻蚀速度和大的刻蚀量,从加工前频率开始加工,等加工到设定的中间目标频率后停止刻蚀,一段时间后,由于离子刻蚀后的晶振频率偏移的影响,使频率下降,回到L段加工前频率。接着进行L段加工,用低刻蚀速度和小刻蚀量,从L段加工前频率开始加工,等加工到设定的最终目标频率后停止刻蚀,一段时间后,出于离子刻蚀后频率偏移的影响, 使频率下降,回到实际最终频率,当实际最终频率在公差范围内就为良品,加工就结束。如果实际最终频率低于公差范围可以作为F-不良重新加工一次。如果实际最终频率大于公差范围,则只能作为F+不良而报废。

而在实际生产过程中,由于操作员缺乏相关理论知识,不能精确的对加工参数进行设定。使得加工的产品会因为刻蚀速度过快,产生较大的频率偏移,或直接产生F+。而刻蚀速度太低不仅会降低加工的效率,当时间超过设备的监控时间后,就会直接出现F-不良。

例如,在实际应用中,因为操作员没有系统的理解以上理论知识,当A品种的石英晶振在进行离子刻蚀微调时,发现频率分布整体偏低,接近20ppm。因为担心现F-不良,希望将整体颏率调鬲。此时应该确认是否是因为H段加工时的速度太慢, 导致L段加工前的频率过低。使得在进行L段加工时,时间过长,超过了设备的监控时间,而强制停止L段加工。

而操作员没有经过确认就主观的将最终日标频率调高, 发现频率略有上升,但仍然偏低。就调高L段的刻蚀速度,刚开始有一定效果,但是没有达到理想状态,就继续调高L段刻蚀速度,此时不但没有效果,反而因为速度太高,刻蚀后的频率偏移使得频率有略微的下降。并且出现因刻蚀速度的太高而产生的F+不良(如图4-8)。因为没有专业技术继续调整,并且认为不良品数量不多,为了赶快完成当日产量,就继续加工制品。此时,因为H段的刻蚀速度低,影响加工效率, 并由于F+的出现,增加了产品的不良数。

图4-8各参数设置不良时离子刻蚀后频率偏移的频率分布表

为了解决这一问题,本文通过前几节的知识和实验数据,制定标准的参数。首先将最终晶振频率设定在0pm。然后为了将L段加工的频率偏移尽可能减少,就将L段的刻蚀速度设定为80ppm/s。为了控制L段的刻蚀量在100pm左右,将中间目标频率设定在-45pm,H段加工速度设定为1600ppm/s,这是H段加工后的结果在50ppm~-0ppm之间,加上刻蚀后的频率偏移使得L段加工的刻蚀量在-100pm120ppm之间。

按这样的设定既可以保证L段加工的效率,也可以控制L段加工后的频率偏移。使得最终实际频率以晶振频率为中心分布。将上述方法设定的参数作成作业标准书如图4-9所示,让作业员遵照执行。图4-10是按此作业标准操作,对制品加L后的频率分布。山图中可以看出频率是以日标频率为中心分布的,并且分布比以前集中,也没有不良出现。因此,本论文提出的方法可以提高产品的合格率。

关于晶振的信息亿金电子在前面的文章中已经提到过很多次了,大家有不懂的可以到亿金新闻动态中了解.下面我们要说的是关于石英晶振晶片的由来以及石英晶振晶片的工作原理.

石英晶振晶片的由来

科学家最早发现一些晶体材料,如石英,经挤压就象电池可产生电流(俗称压电性),相反,如果一个电池接到压电晶体上,石英晶体就会压缩或伸展,如果将电流连续不断的快速开「关,晶体就会振动。

在1950年,德国科学家 GEORGE SAUERBREY研究发现,如果在石英晶体,石英晶体谐振器的表面上镀一层薄膜,则石英晶体的振动就会减弱,而且还发现这种振动或频率的减少,是由薄膜的厚度和密度决定的,利用非常精密的电子设备,每秒钟可能多次测试振动, 从而实现对晶体镀膜厚度和邻近基体薄膜厚度的实时监控。从此,膜厚控制仪就诞生了。

薄薄圆圆的晶振片,来源于多面体石英棒,先被切成闪闪发光的六面体棒,再经过反复的切割和研磨,石英棒最终被做成一堆薄薄的(厚0.23mm,直径1398mm)圆片,每个圆片经切边,抛光和清洗,最后镀上金属电极(正面全镀,背面镀上钥匙孔形),经过检测,包装后就是我们常用的晶振片了。

用于石英膜厚监控用的石英芯片采用AT切割,对于旋光率为右旋晶体,所谓AT切割即为切割面通过或平行于电轴且与光轴成顺时针的特定夹角。AT切割的晶体片振动频率对质量的变化极其灵敏,但却不敏感干温度的变化。这些特性使AT切的石英晶体片更适合于薄膜淀积中的膜厚监控。

石英晶振晶片的原理

石英晶体是离子型的石英晶体,由于结晶点阵的有规则分布,当发生机械变形时,例如拉伸或压缩时能产生电极化现象,称为压电现象。例石英晶振晶体在9.8×104Pa的压强下承受压力的两个表面上出现正负电荷约0.5V的电位差。压电现象有逆现象,即石英晶体在电场中晶体的大小会发生变化,伸长或缩短,这种现象称为电致伸缩。

石英晶体压电效应的固有频率不仅取决于其几何尺寸,切割类型而且还取决于芯片的厚度。当芯片上镀了某种膜层,使芯片的厚度增大,则芯片的固有频率会相应的衰减。石英晶振,石英晶体的这个效应是质量负荷效应。石英晶体膜厚监控仪就是通过测量频率或与频率有关的参量的变化而监控淀积薄膜的厚度。

石英晶体法监控膜厚,主要是利用了石英晶体,石英晶体振荡器的压电效应和质量负荷效应。

石英晶体的固有频率f不仅取决于几何尺寸和切割类型,而且还取决于厚度d,即f=N/d,N是取决与石英晶振晶体的几何尺寸和切割类型的频率常数对于AT切割的石英晶体,N=f·d=1670Kcmm。

物理意义是:若厚度为d的石英晶体厚度改变△d,则石英贴片晶振频率变化△f, 式中的负号表示晶体的频率随着膜增加而降低然而在实际镀膜时，沉积的是各种膜料,而不都是石英晶体材料,所以需要把石英晶振厚度增量△d通过质量变换转换成膜层厚度增量△dM,即

A是受镀面积,pM为膜层密度,p。为石英密度等于265g/cm3。于是△d=(pM/pa)"△dM,所以

式中S称为变换灵敏度。

对于一种确定的镀膜材料,为常数,在膜层很薄即沉积的膜层质量远小于石英芯片质量时,固有频率变化不会很大这样我们可以近似的把S看成常数,于是上式表达的石英晶振晶体频率的变化人行与沉积薄膜厚度△dM有个线性关系因此我们可以借助检测石英晶体固有频率的变化,实现对膜厚的监控。

显然这里有一个明显的好处,随着镀膜时膜层厚度的增加,晶振频率单调地线性下降,不会出现光学监控系统中控制信号的起伏,并且很容易进行微分得到沉积速率的信号。因此,在光学监控膜厚时,还得用石英晶振,石英晶体法来监控沉积速率,我们知道沉积速率稳定队膜材折射率的稳定性、产的均匀性重复性等是很有好处和有力的保证。

石英晶体膜厚控制仪有非常高的灵敏度,可以做到埃数量级,显然石英晶体的基频越高,控制的灵敏度也越高,但基频过高时晶体片会做得太薄,太薄的芯片易碎。

所以一般选用的石英晶振,贴片晶振片的频率范围为5~10MHz。在淀积过程中,基频最大下降允许2~3%,大约几百千赫。基频下降太多振荡器不能稳定工作,产生跳频现象。如果此时继续淀积膜层,就会出现停振。为了保证振荡稳定和有高的灵敏度体上膜层镀到一定厚度后,就应该更换新的晶振片。

此图为膜系镀制过程中部分频率与厚度关系图。

晶振离子刻蚀频率微调技术及生产工艺报告

1.频率微调方法

石英晶振的频率是由石英晶振晶片的厚度以及电极膜的厚度决定的,为此,当调整此厚度就可以调整石英晶振的频率。石英晶振的制作过程是先将石英晶片从石英晶体上按一定角度切下,然后按一定尺寸进行研磨,接着在晶片两面涂覆金属电极层,此时与目标频率相差2000ppm~3000p0m,每个电极层与管脚相连与周围的电子元器件组成振荡电路,随后进行频率微调,使其与目标频率的差可以减少到2ppm以下。最后加上封装外壳就完成了。

石英晶振的频率微调是对每个石英晶振边测频率,边调整电极膜的厚度。使频率改变,达到或接近目标频率。电极膜厚的调整方法主要有两种,真空蒸着法和离子束刻蚀法。

真空蒸着法是在石英晶振晶片的电极膜上用加热蒸着的办法继续增加电极膜的厚度, 达到调整频率的目的。这种方法结构简单,易于控制。缺点是在石英晶振晶片表面产生多层电极膜,并且密着度会变差,当石英晶振小型化时,会使原来的电极膜和调整膜的位置发生偏移,使石英晶振的电气性能降低。

离子刻蚀频率微调法,是用离子束将电极膜打簿,调整石英晶振的频率。因此,不会产生多层电极膜,也不会有电极膜和调整膜的位置偏移,石英晶振的电气性能也不会降低。

2.离子刻蚀频率微调方法

图4-1是基于离子刻蚀技术的频率微调示意图,离子刻蚀频率微调方法,当照射面积小于2~3mm2,在beam电压低于100V以下就可获得接近10mA/cm2的高电流密度的离子束,离子束的刻蚀速度在宽范围內可进行调节。图中采用的是小型热阴极PIG型离子枪,放电气体使用Ar,流量很小只需035cc/min。在:圆筒状的阳极周围安装永久磁石,使得在轴方向加上了磁场这样的磁控管就变成了离子透镜, 可以对离子束进行聚焦。

热阴极磁控管放电后得到的高密度等离子,在遮蔽钼片和加速钼片之间加高达1200V高压后被引出。并且可以通过对热阴极的控制调整等离子的速度。用离子束照射石英晶振,石英晶体的电极膜,通过溅射刻蚀使得频率上升米进行频率微调。在调整时,通过π回路使用网络分析仪对石英贴片晶振的频率进行监控,当达到目标频率后就停止刻蚀,调整结束。

因为石英晶振与π回路之间用电容连接,离子束的正电荷无法流到GND而积聚在石英晶片上,使石英晶片带正电荷。其结果不仅会使频率微调速度降低,而且使石英晶片不发振,无法对石英晶振的频率进行监控和调整。为此,必须采用中和器对石英晶片上的正电荷进行中和。

在进行离子刻蚀频率调整时,离子束对一个制品进行刻蚀所需的时间为1~2秒, 而等待的时间约2秒,等待时间包括对制品的搬送和频率的测量时间。在等待时间中, 是将挡板关闭的。如果在这段时间内,离子枪继续有离子束引出,则0.5mm厚的不锈钢挡板将很快被穿孔而报废。为此,在等待时间内,必须停止离子枪的离子束引出。

可以用高压继电器切断离子枪的各电源,除保留离子枪的放电电源(可维持离子枪的放电稳定)。这样,在等待时间没有离子束的刻蚀,使挡板的使用寿命大大增长。同是,出于高压继电器的动作速度很快,动作时间比机械式挡板的动作时间少很多,所以调整精度也可得到提高。

3.离子束电流密度

在图4-1中,为了提高操作性,简化自动化过程中的参数设定,只对beam电压和放电电流进行控制,而放电电压和Ar流量保持不变,加速电压取beam电压的20%。

图4-2表示的是在不同的beam电压下,随着放电电流的变化,石英晶振的电极膜处(与离子枪加速钼片的距离为25mm)所测得的电流密度。从图中可以知道,对于不同的beam电压,放电电流变化时,都有相对应的放电电流使得电流密度达到最大。本文说所的晶振离子刻蚀频率微调就是采用了各不同beam电压时的最大电流密度进行的。当设定好调整速度后,根据计算决定beam电压,然后根据该电压下最大的电流密度计算出放电电流。

4.离子刻蚀频率微调加工工艺

晶振离子刻蚀频率微调加工工艺与真空蒸着频率微调有相似处也有不同处。首先,两种频率微调方法都必须在高真空环境下进行,因此在加工前都必须确认真空腔的真空度是否达到要求,一般都要求在1×103Pa以上。其次还必须确认真空腔的水冷设备没有漏水现象,使用的真空泵需要用真空油时还要确认真空腔内没有被油污染。接着还要保证石英晶振,石英晶体谐振器上没有灰尘或脏污等异物附着,为了有效的控制异物,加工环境最好是5000级以下的净化空间。离子刻蚀频率微调加工除了要注意以上要求外,还必须注意到离子刻蚀后数秒内频率的偏移问题,这个问题将直接影响到生产效率和合格率。

晶振频率标准的发展对于一个国家的经济、科学与技术、国防和社会安全有着非常重要的意义。由于制造、交通运输、通讯与信息技术的不断迅猛发展,对时间和频率测量的准确度和精确度要求也越来越高。导航、定位、大地测量、天文观测、网络授时和同步以及电网故障检测中都需要高稳定度和准确度的晶振频率标准。按照频率标准的性能指标和应用领域来划分,可以将其分为一级频率标准(铯原子频标)二级频率标准(包括铷原子频标和高稳石英晶体振荡器)和其它频率标准(包括除高稳石英晶体振荡器以外的其他石英晶体振荡器)。表11列出了常用频率标准的准确度.

在各种高精度的频率标准中,氢钅钟中、铯钟等都具有很好的长期和短期稳定度,但价格非常昂贵,一般用于国家授时实验室,应用范围非常有限。虽然铷钟和高稳定度石英晶体振荡器等二级频标的频率稳定度不如一级频标,但价格低廉,体积较小,应用范围非常广泛。它们被广泛用于通信、计量、应用电子技术、电子仪器、航空航天、雷达和因防军工等各个领域,作为关键器件发挥着重要的作用。近年来由于通信业和军工方面的发展和需求,我国精密石英晶体和原子频率标准的需求也有了明显的增长。

石英晶振频率标准的三个基本技术指标是准确度、稳定度和老化率。晶振频率标准和计时的精确度会受到科技发展水平的限制。影响频率稳定度和准确度主要是温度和老化,因此,国内外正在投入大量精力研究修正这些影响。下面详细介绍这三种技术指标

1.晶振频率准确度

用来描述频率标准输出的实际频率值与其标称频率值的相对偏差。因为受频率标准内在因素和外部环境(如温度、湿度、压力、震动等)的影响,实际石英晶振频率值并不是固定不变的,而是在一定范围内有起伏的值。计算表达式如下:

式中A为频率准确度;fX为实际频率值;fO后为标称频率为了得到准确的fX,至少应进行6次测量,采样时间应该选择相应的频率稳定度影响可以忽略时的时间间隔。一般选择的采样时间为10s,使得在该时间内被测频标的短期频率稳定度比其准确度高出一个数量级。

2.晶振频率稳定度

由于各种外界干扰,例如电子线路的热噪声,石英晶体谐振器内固有噪声,器件的老化,环境条件的变化等,都会使石英晶体振荡器的输出频率相对于标称值发生波动,这种波动代表了输出频率的不稳定度。目前使用的频率稳定度表征有两种。即:频域表征一相对频率起伏的功率谱密度,它表现为信号的频谱不纯;时域表征一阿仑方差,它表现为频率平均值的随机起伏。二者在数学上是一对傅氏变换,因而是等效的。

实际的阿仑方差计算公式为:

式中f和f,分别为第i和第i+1次测量的频率值;后为被测频率源的频率标称值, m为测量的次数。

3.晶振老化率的表征和测量

单位时间内平均频率的相对漂移量叫做漂移率。在石英晶体振荡器中一般称为老化率,而在原子频标中一般称为漂移率。大多数频标经过足够的时间预热后连续工作,在一段不太长的时间内频率的漂移呈现近似线性变化的特点。

老化率实用计算公式:

值;t为测量时序,i取1,2,3,…,N;fO为频率源的标称频率;n为一天的取样次数。

由于石英晶振频率值随时间的变化并不仅仅是线性的,石英晶体振荡器往往是对数老化规律或倒数老化规律,所以从理论上讲,每天测量的点数n越多越好。但是从实际测量和计算的方便来讲,又希望n取得越少越好。通过大量的实验,表明每天测量的次数n取两次就可以了。经简化后,每天测量的次数n取两次,测量H天的日老化率KDH的基本简化公式可以写为:

原子频标的日漂移率远远小于石英晶体振荡器,因此一般按月漂移率给出。由于漂移率呈线性规律,所以月漂移率可以用日漂移率来推算。也就是:

由于高稳定度石英晶体振荡器的老化率从更长的时间刻度来观察呈现了随着加热时间的延续越来越小的特点,所以国外在考察高稳定度石英晶体振荡器的年老化率时常常是在日老化率的基础上乘以系数100。

石英晶体的原子面符号

石英晶体和非晶体本质差别在于它们的内部结构是否存在周期性。为了描述晶体结构的周期性,用空间点阵来模拟晶体内部结构。通过点阵的“点子”作三组向不同的平行线,就构成了空间格子,称为“晶格”,如图1.2.1。

图1.2.1晶格示意图

整个空间格子是由一个单元重复排列的结果,这个重复单元就称为“晶胞”。晶胞是石英晶体结构的基本单元,晶胞的形状和大小由晶胞参数(晶胞的几个边长和这几个边长之间的夹角)来决定。晶胞的选择不是唯一的,除反映晶体内部的周期性外,还要反映晶体的外部对称性。

石英晶体的晶胞是选择如图1.2.2所示的六角晶胞,其晶胞参数为c=b=d4.9404A;c=5.394A;a=B=90°;y=120°

图1.2.2六角晶胞示意图

在晶体点阵中,通过任一点子,可以作全同的原子面和一原子面平行,构成一族平行原子面。这样一族原子面包含了所有点子,它们不仅平行而且等距,各原子面上点子分布情况相同。晶体中有无限多族平行原子面。不同族原子面在石英晶振晶体中的方位不同,原子面的间距不同,原子在原子面上的分布不同,相应的物理性质也不同。因此,我们用原子面指数来表示该族原子面的方位,代表该族原子面。为了表明各个原子面,一般采用原子面指数(hk)表示,只有三角晶系和六角晶系才采用原子面指数(hki1)表示,现分别介绍如下。

一、一般晶系原子面指数表示法

从几何学中知道要描述一个平面的方位,就要选一个坐标系,然后标出这个平面在此坐标轴上的截距,或标出这个平面的法线在此坐标系中的方向余弦,描述原子面的方位也是如此。选某一原子(或离子、分子)的重心为坐标原点,以晶胞的三个边a、b、c(即晶轴)为坐标系,但应注意：

(1)由贴片晶振晶轴组成的坐标系不一定是直角坐标系

(2)晶轴上的长度单位分别为晶格常数a、b、c,所以截距的数值是相应晶格常数的倍数。

例如M1、M2、M3原子面与三个晶轴分别交于M1、M2、M3点,如图1.2.3所示,三个截距为

图1.2.3(236)原子面

知道了原子面在坐标中的截距,就等于知道原子面在晶体中的方位,所以也可用截距p、q、r来标志原子面,但由于原子面与某晶轴平行时相应的截距为无限大,为了避免出现无限大,改用截距倒数的互质比。

来标记原子面,为了简化常略去比例记号,采用(hk)表示,(hk)就称为原子面指数(或晶面指数、密勒指数),例如图1.2.3中原子面指数为(2,3,6)即：

有时也称MM2M3平面为(2,3,6)原子面,图1.2.4中标出了一些简单的原子面指数,因为有源晶振,石英晶振晶轴有正向、负向之分,所以原子面指数也有正、负之分,通常将负号写在指数的上面,例如(010)原子面,就表示原子面与a轴、c轴平行,与b轴的截距为-b。

图1.24一些简单的原子面指数

六角晶系和三角晶系原子面指数表示法上述原子面表示法可用于全部晶系,具有普遍性,但在六角晶系中采用四个晶轴的坐标系比较方便,四个晶轴中的a、b、d、轴在同一平面上,互成120°0,夹角,c轴则与此平面垂直。原子面指数(hk1)中h、k、i、l则分别对应于a、b、d、c轴截距倒数的互质比。例如,某原子面与四个晶轴分别交于M1M2M3M4点,如图1.2.5所示四个截距为

OM2=pa=4a

OM2=qb=4b

OM3=rc=2c

OM4=td=-2d

图1.2.5(1122)原子面

这些截距倒数的互质比为

可见图M1M2M3M4面的原子面指数为 (1122)。

图12.2表示六角晶胞的原子面指数,图1.2.5表示右旋石英晶振,石英晶体的部分原子面指数,从这些的原子面指数中可以看出:

(1)存在这样的规律,即h+k+i=0。这就是说,在h,k,i中,只要知道其中两个即可确定第三个,利用这种关系,有的资料中把原子面指数(h k i l)简写为(h k l)。

(2)通过(hkiD)原子面的前三个指数h,k,i全部排列,可得六个原子面,这六个原子面与z轴平行,X射线的反射角(即掠射角) θ相同。其物理性质也相同。如(1010)原子面,将前三个指数全部排列,即得六个原子面为(1010),(1100),(0110),(100),(0110),(1010)这就是石英晶体的六个m面。

(3)通过对(hki1)原子面的三个指数h,k,l全排列,以及将第四个指数l(l0)变号后再排序,可得十二个原子面,根据晶体的对称性发现这十个原子面可分为二组,每组六个原子面,同一组原子面的性质完全相同例如:(1011)原子面,将前三个的指数全排列,即得六个原子面为(101i),(1101),(0111),(1101),(011),(1011)将第四个指数变号后,再全排列,又得六个原子面为(1011),(101),(011),(1101),(0111),(1011)将这十二个原子面分成两组,前三个和后三个原子面为一组,中间六个原子

面为一组,即:

甲组:(1011),(1101),(0111),(1101),(0111),(1011)

乙组:(1101),(011),(1011),(1011),(1101),(01)

将这些结果与图1.2.6比较,即可看出,甲组原子面就是石英晶体中的六的R面,乙组原子面就是石英晶体中的六个r面

(a)右旋石英晶体(b)上部R面和r面(c)下部R面和r面

图1.2.6右旋石英晶体的原子面指数

石英晶体无论是天然的还是人造的,都不同程度地存在一些疵病(缺陷)。它们不仅是由于在石英晶体生长过程中受到种种条件的影响而产生,就是在已形成的晶体中和生长完成后,外界条件的变化(主要是温度)产生的缺陷。这些缺陷会影响其可用程度和石英晶体元件的性能,以下简要介绍几种常见的缺陷。

一、双晶

双晶是指两个以上的同种晶体,按一定规律相互连生在一起。即在同块晶体中,同时存在两个方位不同的左旋部分(或右旋部分)。其中一部分绕Z轴转180°后方与另一部分连生在一起,这两部分的z轴彼此平行,所以两部分的光学性能相同,而电轴两部分相差180°,故它们的极性相反(见图1.4.1)。

光双晶是异旋晶体的连生,即在一块贴片晶振晶体中,同时存在左旋和右旋两个部分,它们连生在一起,左旋和右旋的光轴彼此平行,但旋光性相反,此外电轴极性也相反(见图1.4.2)。

(a)左旋石英晶体的极性;(b)绕光轴转180°°后左旋石英晶体的极性C)电双晶的极性;

图1.4.1电双晶极性示意图

(a)左旋石英晶体的极性;(b)右旋石英晶体的极性;(c)光双晶的极性;

图1.4.2光双晶极性示意图

电双晶又称道芬双晶;光双晶又称巴西双晶。双晶的边界可用氢氟酸腐蚀显示出来(见图1.4.3)。

双晶多出现在天然石英晶体中,但在石英晶体谐振器晶片加工中也会诱发出双晶。例如：石英晶片加热温度超过573℃,或虽然不超过573°C,但石英片内部温度梯度太大,都可能产生电双晶;又如:晶片研磨时,由于机械应力的作用,可能产生微小的道芬双晶。

(a)电双晶腐蚀图像(b)光双晶腐蚀图像

图1.4.3电双晶、光双晶在z平面上的腐蚀图像

在压电石英晶体元件中,一般不允许含有双晶,若要利用含有双晶的石英晶片时,则对双晶的位置和比例要严加限制,因此在石英晶片加工中,要力求避免双晶的出现

二、包裹体

石英晶体中往往含有固体、胶体和气—一液体三种包裹体。

固体包裹体是混杂在晶体内部的其它矿物质,天然石英晶振,石英晶体中固体包裹体大部分是围岩碎屑和黄铁矿、金红石等。人造石英晶体的固体包裹体主要是硅酸铁钠( NaFesi2O6.2H2O),它是由高压釜内壁被腐蚀脱落的亚铁离子和其它离子,与NaOH或Na2CO3溶液和SiO2等产生化学反应而形成的。

胶体包裹体是含钾(K)、钠(Na)硅酸盐胶体所组成。它是由于石英晶体生长过程中,温度发生波动时溶液中的二氧化碳达到超饱和状态,来不及结晶而形成胶体包裹体。

气一液包裹体中的液体主要是水溶液、碳酸和其它混合液,气体是二氧化碳及挥发性化合物等,气一液包裹体多集中在晶体底部包裹体是石英晶体的一种主要缺陷,实验表明,如果晶片中含有大的针状包裹体时,对石英晶体元件的电性能影响很大。

石英晶体的包裹体可用显微镜观察法或油槽观察法等进行检查

三、蓝针

石英晶体中蓝色针状的缺陷称为蓝针。

蓝针形成的原因很多,有人认为蓝针内部包含有铁、锰、铜、锌等金属氧化物,在这些氧化物外部还有密集的小气泡或小水珠,当光线通过它们时,除蓝色光线外,其它光都被吸收掉,因此在晶体内部呈现蓝色针状缺陷。还有人研究发现,存在蓝针的地方有很细的裂缝,它与晶体原有宏观裂隙平行生长,说明蓝针是属于晶体内部机械破坏的结果。

对一般应用的压电石英水晶振荡子,石英晶振,贴片晶振晶片可以存在蓝针,但用于制造稳定度高的和频率比较高的石英晶体元件时,不允许其石英晶片有蓝针存在。

四、其它疵病

在一些晶体中,可隐隐看出数个晶体的影子,这叫幻影或称魔幻。它是由于晶体生长中断了一段时间,后来又在晶面上继续结晶而形成的。幻影破坏了晶体格架的完整性,影响晶体的弹性,属晶体内部深处的缺陷。

裂隙是存在于晶体内部的小裂缝。它的形成可能是由于生长区中二氧化硅供应不足,杂质分布不均匀,籽晶不完善,机械应力和温度变化不均匀等缘故节瘤是由许多小晶块构成的镶嵌结构,其形状像是很小的晶体镶嵌到大晶体的表面。这种镶嵌结构是受温度、压力、溶液饱和程度和混合物数量等生长条件影响而形成.

石英晶体振荡器,有源晶振,石英晶振晶体内部某处有集中的许多微小气泡和小裂隙,呈现白色如棉花状,这种缺陷俗称为棉。

   石英晶体俗称水晶,成份是SiO2,它不但是较好的光学材料,而且是重要的压电材料。在常压下不同温度时,石英晶振晶体的结构是不同的。温度低于573℃时,是a石英晶体;温度在573℃~870℃时,是B石英晶体;温度在870℃~1470℃时,是磷石英,温度达1470℃时,就转变成方石英,它的熔点是1750℃。用于制造压电晶体元件的为a石英晶体

石英晶体的结晶形态和坐标系

      固体可以分为结晶体(晶体)与非结晶体(非晶体)两大类。晶体中有外形高度对称的单晶体(如石英晶体)和由许多微细晶体组成的多晶体(如各种金属)。晶体的主要特性是原子和分子的有规则排列,这种排列反映在宏观上是外形的对称性,而非晶体就不具备这种特性,例如石英玻璃,它的成份与贴片石英晶振石英晶体一样是SiO2,但不属于晶体。

晶体可以是天然的,也可以由人工培养。晶态物质在适当条件下,能自发地发展成为一个凸多面体形的单晶体。围成这样一个多面体的面称为晶面;晶面的交线称为晶棱;晶棱的会集点称为顶点。发育良好的单晶体,外形上最显著的特征是晶面有规则的配置,属于同一品种的晶体,两个对应晶面(或晶棱)间的夹角恒定不变。图1.1.1给出了理想石英晶体的外形。

石英晶体的晶面共30个,分为五组,六个m面(柱面),六个R面(大棱面),六个r面(小棱面)六个s面(三方双锥面),六个x面(三方偏方面),相邻m面的夹角为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面的夹角等于25°57。由于外界条件能使某一个或某一组晶面相对地变小或完全隐没,所以实际见到的石英晶体很少如图1.1.1所示,就是人造石英晶体的外形也只是接近理想情况。

(a)右旋石英晶体 (b)左旋石英晶体

图1.1.1石英晶体的理想外形

晶体内部结构的规律性,造成了它在外形上的对称性。例如:晶体可以有对称轴、对称中心、对称面等对称元素。石英晶体存在一个三次对称轴(或三次轴即晶体绕该轴旋360°3后能够复原)和三个互成120°的二次轴,如图1.1.2中的a、b、d轴

图1.1.2石英晶体的对称轴和直角坐标系

在结晶学中,晶体的内部结构可以概括为是由一些“点子”在空间有规则地作周期的无限分布:“点子”代表原子、离子、分子或其集团的重心。这些“点子”的总体称为点阵,构成石英晶体的是二氧化硅分子,而二氧化硅分子的重心又正好与硅离子重合,因此硅离子的点阵就可以反映出石英晶体的内部结构。石英晶体振荡器,石英晶体的各层硅离子若按右手螺旋规则分布,则称为右旋石英晶体;若按左手螺旋规则分布,称为左旋石英晶体。从外形上看,右旋石英晶体的s面在R面的右下方或m面的左上方,左旋石英晶体的s面在R面的左下方或m面的右上方(见图1.1.1),它们互为镜象对称。

晶体物理性质的各向异性和晶体外形的对称性有关,因此讨论石英贴片晶振,石英晶体的物理性质时,采用为图1.1.2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轴垂直的轴为y轴。其指向按1949年IRE标准规定对左、右旋石英晶体均采用右手直角坐标系。

  石英晶体的介电性质,大家知道,金属可以导电,这是因为金属中存在着自由电子,在电场的作用下,这些自由电子被迫作定向运动而形成电流。然而,电介质是不能导电的,这是因为电介质中的电子(称束缚电子)被原子核束缚得很紧,在一般电场作用下,束缚电子的位置只能作很小的移动。这种移动造成介质中的正、负电荷中心不重合而产生极化,所以电介质只能以极化方式传递电的作用。本节要介绍石英晶振晶体电介质的极化性质及其所遵循的电学规律。

一、电介质的极化和极化强度

如图2.1.1(a)所示的电介质中,介质的两面已被敷金属电极,当电场等于零时,介质中的正、负电荷中心重合,介质处于电中性。当电场不等于零时,在电场的作用下,介质中的正、负电荷中心不再重合,并形成许多电偶极矩,于是介质产生极化,如图2.1.1(b)所示。因这些电偶极矩头尾相衔接,故可画成如图2.1.1(c)所示的情况,在介质与电极的分界面上分别出现正、负极化电荷(即正、负束缚电荷)。电偶极矩的方向规定为从负极化电荷指向正极化电荷,电偶

(a)E=0时,介质处于中性状态()E≠0时,介质产生极化(c)介质极化示意图

图2.1.1电介质极化示意图

极矩的大小等于ql,其中l为正、负极化电荷之间的距离,q为极化电荷。如果以p表示电偶极距,即可写成

p=ql                           (2.1.1)

为了描述电介质的极化强度,现引入极化强度的概念。极化强度P等于单位，体积(△V=1)内的电偶极矩的矢量和,即

p=                            (2.1.2)

由式(2.1.2)可以得到,石英贴片晶振电介质的极化电荷面密度极与该处极化强度的法向量Pn之间的关系为

σ极=Pn           (2.1.3)

二、各向异性介质中极化强度P,电位移D和电场强度E之间的关系,晶体都是各向异性体,对于完全各向异性电介质(如三斜晶系),实验上发现,D、E、P的方向彼此不同,但关系式D=6oE+P依然成立。P与E的关系和D与E的关系分别为

式中;比例系数x称为介质的极化率(或极化系数)。e称为介电常数(F/m); ε/ε0称为相对介电常数。εo为真空介电常数

ε0=8.85×10-12F/m。

由式(2.1.4)和(2.1.5)可以看出,各向异性电介质的极化率有9个分量,介电常数也有9个分量.

在物理上,按照式(2.1.4)和(2.1.5)的形式,用9个分量来反映二个矢量之间关系的物理量,称为二级张量。在数学上,常用矩阵形式来表示张量。

极化率的矩阵表示式为:

完全各向异性电介质的极化率和介电常数都是6个独立分量,它们的数值由材料的介电性质所确定。

三、介电常数

我们已经知道,描写各向同性介质只要一个介电常数,而描写完全各向异性的电介质则需要六个独立的介电常数分量。石英晶振,有源晶振,石英晶体属于三斜晶系32点群,它是介于各向同性和完全各向异性之间的晶体。根据它的对称性,可得到石英晶体的介电常数矩阵为：

由式(2.1.9)可以看出,石英晶振晶体不等于零的介电常数分量共3个,其中独立分量2个,即ε11=ε22和ε33,ε12=ε13=ε23=0。石英晶体相对介电常数的数值为

因为各向异性电介质的介电常数与方向有关,所以坐标变换时,相应的介电常数分量也发生变化。例如:绕x轴旋转某一角度q1的新坐标系Oxyz中

(见图2.1.2)。

图2.1.2绕x轴旋转q1角度后,新、旧座标之间的关系

石英晶体的介电矩阵为:

知道φ1角后,即可通过式(2.1.11)求得所需的介电常数分量εkl