石英晶体基础
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﹝图一﹞.单结晶的石英晶体结构具有压电效应特性, 当施加压力在晶体某些方向时, 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).
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1.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。
2.石英晶体的结构
石英晶体的理想外型见图 1-1 ，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表 1-1 。
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。
表 石英晶体各晶面法线之间的夹角计算值和测量值(《压电石英晶体》秦自楷1980，p3)
夹角 | 孤独的旅人计算值 | 测量值 | 可爱的小猪夹角 | 计算值 | 测量值 |
mm | 60°0’ | 60°0’ | Rx | 54°51’ | — |
mR | 38°13’ | 38°13’ | Rr | 一本师范大学46°16’ | 学生减肥一星期瘦20斤46°18’ |
mr | 38°13’ | 38°13’ | sR | 28°54’ | 28°58’ |
ms | 37°58’ | 37°55’ | Sr | 28°54’ | 28°58’ |
mx | 12°1’ | 12°1’ | sx | 25°57’ | 25°54’ |
| | | | | |
3.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）
表：2.2 石英自然面的B-M指数
| m(Y) | R | r | X | Z | s(没搞清) | x(没搞清) |
1 | (100) (010) | (011) | (101) | (20) | (0001) | (11.1) | (511) |
2 | (100) (100) | (011) | (101) | (20) | (1.1) | (5.1) |
3 | (010) (010) | (101) | (011) | (00) | (111) | (1.1) |
| | | | 可怕英文 | | | |
各晶面面网密度（原子密度）大小次序是：（《结晶化学导论》第三版 钱逸泰 合肥：中国科学技术大学出版社2005，p69）日月轮转
{100}(m), {101}(r), {110}, (102), {111}(s), {001}(Z)
2.石英的原子结构
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。
3.石英的切型
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. (图三)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图所示
IRE标准规定的切型符号包括一组字母（x、y、z、t、l、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）、l（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φ角而成，称为一次旋转;也可以是由XZ平面绕X轴旋转φ角再绕Z轴旋转φ’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(φ=35.25°),BT切型(φ= -49.2°)等;在双次旋转切型中有FC切型(φ=34.33°，φ’=15°)、IT切型(φ=34.08°, φ’=19.1°)和SC切型(φ= 33.08°，φ’=22.4°)等。
4.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
