Fortiming石英晶振XCS21-48M000-1B15D18培养的基本过程

1.介绍

石英是一种压电材料。当电压施加到两个电极上时，一个薄的石英晶片就会机械振动，该石英晶片的相对表面上附着有电极。振动频率主要是晶片尺寸的函数。当适当地安装有电极时，晶片被称为石英晶体谐振器，长期以来被用于控制无线电发射机的频率，并且它已经成为电信通信设备中的基本组件，在电信通信设备中，其压电石英晶振特性被用于滤波器、振荡器和其他设备。现在，石英晶体为微处理器、计算机、可编程控制器、手表和各种DSP等其他数字设备提供时间和坐标信号。

石英是二氧化硅（SiO2).这是一种硬而脆的透明材料，密度为2649千克/米3熔点为1750°C.石英不溶于普通酸，但溶于氢氟酸和热碱。当石英被加热到573度时°c，它的结晶形态发生变化。高于此转变温度的稳定形式被称为高石英或β石英，而低于573的稳定形式°碳被称为低石英或α石英。对于谐振器应用，只有α-石英是感兴趣的，除非另有说明，术语石英在续集中总是指α-石英。石英是一种丰富的天然材料，但要将优质天然石英与劣质天然石英分开需要大量的劳动。尽管硅（主要以二氧化物的形式存在，通常为小石英晶振晶体）约占地壳的三分之一，但主要在巴西发现了大小和质量适合用于利用其压电特性的设备的天然石英。天然石英的加工成本也很高，因为它的形状和大小是随机的。此外，一些劣质石英仅在部分加工后才被发现。并且天然石英中普遍存在的杂质通常使得切割小晶片不切实际。1936年，美国陆军通信兵与贾菲、黑尔和索耶博士领导的布鲁什实验室签订了一份合同，这是培养石英发展的第一个重大进展。这是由于具有良好压电质量的天然石英稀缺，通常从巴西购买。

如今，石英被人工种植到特定的尺寸。晶体取向受到控制，并且纯度一致地高。标准尺寸降低了切割晶片的成本，杂质分布广泛，使得需要低驱动功率的小型谐振器成为可能。

2.培养石英的基本过程

培养的石英生长在一个称为高压釜的大型压力容器中（见下图）。高压釜是一端封闭的金属圆筒，能够承受每平方英寸30.000磅的压力，内部温度为700至800度°F.它通常高12至20英尺，直径2至3英尺。

被称为“lascas或nutrient”的纯无表面石英小碎片（大小为1至1.5英寸）被放置在金属丝网篮中并放入容器的下半部分。一个带有预先安排好的孔的钢板，称为“挡板”，设置在篮子的顶部。挡板用于分隔生长（种子）区和营养区，并有助于在两个区域之间建立温差。被称为“籽晶”的适当取向的单晶板（天然的或培养的）被安装在架子上，并悬挂在容器上半部挡板的顶部。然后用碱性水溶液（碳酸钠或氢氧化钠）填充高压釜至其自由体积的约80%，以允许未来的液体膨胀，并用高压封盖密封。贴片晶振，然后通过一系列连接在圆筒外周的电阻加热器将高压釜加热到工作温度。随着温度的升高，高压釜内的压力开始增加。700到800的温度°f在容器的下半部达到，而上半部保持在70至80°比下半部分更冷。

在操作压力和温度下，lascas溶解在容器下半部的加热溶液中，然后上升。当溶液达到容器上部较低的温度时，溶液变得过饱和，导致lascas中溶解的石英在晶种上重新结晶。然后，冷却的废液返回到容器的下半部分，重复循环，直到lascas耗尽，培养的石英石达到所需尺寸。这种所谓的“水热加工”时间从25天到365天不等，取决于所需的宝石尺寸、性质和加工类型——氢氧化钠或碳酸钠。

3.石英晶体的对称性、孪晶和尺寸

α-石英属于晶体学类别32，它是一种六棱柱，每端有六个帽面。棱镜面被指定为m面，帽面被指定为R面和R面。R面通常被称为主菱形面，R面是次菱形面。左旋和右旋晶体都是自然产生的，可以通过S面和X面的位置来区分。

如上面的示意图所示，α-石英晶体具有三重对称的单轴（三角轴），并且具有垂直于该三角轴的三个二重对称轴（双角轴）。双角轴间隔120度，是极轴，也就是说，可以给它们一个明确的定义。极轴的存在意味着缺乏中心对称性，是压电效应存在的必要条件。双晶轴也称为石英的电轴（x轴、y轴）。在具有完全发育的自然面的晶体中，每个极轴的两端可以通过S面和X面的存在与否来区分。当沿电轴方向施加压力时，在被这些面修饰的轴的那一端产生负电荷。三角轴，也称为光轴（z轴），不是极轴，因为垂直于它的两个角轴的存在意味着三角轴的两端是相等的。因此沿光轴不会产生压电极化。在直角坐标系中，z轴平行于m个棱镜面。主表面垂直于X轴的石英切割板称为X切割板。将切口绕z轴旋转90度，得到Y轴垂直于主表面的Y切割板。由于石英晶体有六个棱面，因此x轴和y轴有三种选择。选择是任意的；每个人的行为都一样。

石英是一种光学活性材料。当一束平面偏振光沿光轴传输时，偏振面发生旋转，旋转量取决于在材料中穿过的距离。旋转方向可用于区分两种天然存在的α石英形式，即左石英和右石英。在左侧石英中，当观察者看向光源时，偏振面逆时针旋转，而在右侧石英中，偏振面顺时针旋转。大多数人工培育的石英是右石英，而天然的左石英和右石英分布大致相等。任何一种形式都可以很好地用于制造谐振器，但是不能使用左右形式混合的材料，这种材料被称为光学孪生材料。另一方面，电孪晶材料都是相同的方向，但包含电轴方向相反的区域，因此降低了整体压电效应。这种材料也不适合谐振器应用。天然石英晶体中孪晶和其他缺陷的存在是合适的天然材料短缺的主要原因，而培养石英中不存在显著的孪晶构成了其主要优势之一。当α-石英被加热到573℃以上时°c时，晶体形式变为β-石英的晶体形式，其具有六方而不是三方对称性。在通过573冷却时°c时，材料转变为α-石英，但通常会发现电孪生。出于同样的原因，施加大的热应力或机械应力会诱发孪生，因此在谐振器加工中有必要避免任何此类热冲击或机械冲击。

从生产它们的高压釜中取出后，培养的高品质石英晶振晶体通过研磨转化为所谓的木棒。这些是长的矩形棒，适合随后切割成用于谐振器的晶片。木条通常有6至8英寸长，但可用长度约为5至6英寸，因为靠近端部的材料无法使用。可以种植更长的南瓜条，但这需要更长的种子，其成本会随着长度的增加而迅速增加。木条的高度通常约为宽度的两倍，因为通常从每个切片上切下两个晶片。大量标准尺寸的木棒可供选择，石英也可以生长并研磨至特定尺寸。

4.石英晶体中的化学杂质

人造和天然石英都含有会影响谐振器性能的化学杂质。化学杂质是那些与石英中的硅和氧形成化学键的杂质。铝、铁、氢和氟是典型的化学杂质。它们在人造石英中的含量比天然石英中的含量低得多。然而，化学杂质在养殖石英中的分布并不均匀。+x，-x、z区域和偶尔形成的所谓s区域包含不同水平的化学杂质。两个z区域包含最少量的杂质。+x区域比z区域包含更多的杂质-x区域有更多的杂质。s区的杂质密度通常较小，介于z区和+x区之间。当使用宽种子进行培育时，伐木棒的z区域较大，而+x和-x区域很小。当使用较窄、较便宜的种子时，z区域较小，而+x和-x个区域更大。通常，化学杂质会导致谐振器性能下降，例如辐射硬度、缠绕敏感性、振荡器短期和长期稳定性以及滤波器损耗。

5.谐振器Q和晶体Q

晶体谐振器的Q值是一个周期内存储的能量与损失的能量之比:

Q º 2p循环期间储存的能量/循环期间损失的能量

该值很重要，因为它衡量驱动谐振器所需的功率。Q值主要是谐振器工作环境、表面缺陷、机械附件以及加工和安装谐振器时产生的其他因素的函数。

石英木条也被赋予一个Q值，但石英木条的Q值不是基于对储存能量和损失能量的直接测量。相反，石英棒的Q是基于棒中杂质的品质因数。培养石英中的化学杂质是通过引导红外光穿过伐木棒横截面切片中的z区域来测量的。测量两个特定波长（3.500纳米和3.800纳米）下的透射率差异，并根据这些数据计算Q值。高Q值的石英比低Q值的石英含杂质少，根据EIA标准477-1，石英种植者和用户通常使用“红外Q值”测量作为石英质量的指标。

石英晶体谐振器的Q值通常不同于切割谐振器的石英棒的Q值。然而，当石英棒的Q低于临界水平时，谐振器的Q会受到影响。培养石英的Q值为180万或更高，表明化学杂质不会影响大多数应用中谐振器的最终Q值。具有这种Q值的石英通常被称为电子级（C级）。特级石英的品质因数为220万（B级），特级石英的品质因数为300万（A级）。重要的是要知道，培养石英的Q值仅基于z区域的杂质。因此，即使晶体Q适用于某一应用，谐振器的有源部分（电极之间）包括+x，-x或s区域材料。

仅包含z-区域材料的石英晶体晶片只能从由相对昂贵的宽籽晶生长的棒上成功切割。幸运的是，电极很少覆盖谐振器晶片的整个表面区域，-当这些杂质材料位于有源部分之外时，x或s区域不会不利地影响谐振器的工作。因此，大多数应用的谐振器可以使用从相对便宜的窄籽晶生长的石英。

6.摘要

压电石英晶体是由著名的居里夫妇于1880年发现的，曾经以高昂的成本从未经雕琢的天然晶体中获得，现在通过生产特定尺寸和纯度晶体的工艺进行人工生长。这种人造石英降低了成本，缩小了对当今数字电路计时至关重要的谐振器尺寸。