压电石英晶体

,压电石英晶体,第,*,页,*,*,压电石英晶体,王春雷,山东大学 物理学院,晶体材料国家重点实验室,石英晶体：,石英晶体的结构、培育、主要特性、质量检验、缺陷和电清洗,压电效应：,压电效应、压电方程、切型和定向、旋转坐标系、频率温度系数,振动模式：,振动模式、压电振子的等效电路、机电类比和机电网络,谐振器和振荡器：,谐振器的等效电路、振动模式；振荡器原理,参考书目：,秦自楷 等，,压电石英晶体,，国防工业出版社，北京，,1980,张沛霖，钟维烈 等，,压电材料与器件物理,，,山东科学技术出版社，济南,1997,为什么需要压电谐振器,压电石英谐振器,=,时间,/,频率标准,早期计时工具：沙漏,机械时代：单摆或者复摆，钟表、手表；分辨率（解析率）,resolution,秒的量级；提高,resolution,，让计时更准确：更小的摆轮，运动会计时用的秒表：比如百米时间,918,摆的原理是：振动一周期的时间至于摆的长度和摆的重量有关；,机械时代的单摆计时标准有以下问题：,（,1,）计时不准确：时间分辨率（解析率低）,秒的量级；,（,2,）计时不准确：受外加环境影响大,-,摆的长度变化，,热胀冷缩,，一般是摆的下端加调节螺栓达到修正摆的长度的功能（,优势,）；,机械磨损,，手表中的部件使用钻石；,（,3,）机械振动，无法成为电路中的电学量的时间频率标准！,压电石英晶体谐振器,：高频、不随温度变化、无磨损、形成电信号,LCR,振荡电路可以输出一定频率的电压信号,：其输出频率随温度变化，原因是,L,、,C,、,R,的参数值随温度有变化。,压电石英晶体谐振器和振荡器：,高频：几何尺寸小；控制精确,不随温度变化：零温度系数切型；,ppm,无磨损：高机械品质因子；,mechanical quality factor,形成电信号：压电效应,有需要进行时间、频率控制的电路，就有压电石英晶体谐振器：电子表、雷达、计算机、电视、冰箱、,GPS,、,MP3,、,U-disc,为什么需要压电谐振器：是作为时间频率控制的标准；控制精确，受环境温度影响小，机电一体；,为什么使用石英晶体,高频：几何尺寸小；,不随温度变化：零温度系数切型；,无磨损：高机械品质因子；,mechanical quality factor,形成电信号：压电效应,价格低廉、性能稳定等一系列优良品质！,在压电材料中，石英晶体的压电性时比较弱的！,人们一直在寻找更强压电性的晶体替代石英晶体：,GaPO,4,AlPO,4,La,3,Ga,5,SiO,14,(LGS),，,RCaO,4,(BO,3,),3,(R=La,、,Gd,、,Y),低对称性晶体,石英谐振器应用,计算机显示卡,计算机主板,U,盘,压电效应的其他应用,倒车雷达,压电变压器：,LCD Devices,Digital Cameras,Lighting Equipment,etc.,山东大学物理学院相关课程设置：,压电铁电物理,王春雷,晶体基本知识，介电、弹性、压电、铁电基本知识；,压电效应和压电方程，振动模式和等效电路,电介质材料和器件,苏文斌,晶体材料和陶瓷材料的成分、结构和主要性质，生长制备方法等,电介质测量,赵明磊,介电测量、压电测量、铁电测量原理和方法,石英晶体,石英晶体的结构、培育、主要特性、质量检验、缺陷和电清洗,石英的晶体外形,Quartz crystal,理想石英外形：分为左旋石英和右旋石英晶体,成分：,SiO,2,二氧化硅,二氧化矽,Silicon dioxide,人工石英晶体：,实用的石英晶体绝大部分是人工培育的。人工石英晶体收籽晶（,Seed,）形状和生长条件的影响有不同的外形。常见的人工石英晶体有沿,y,轴较长的,y,棒和,z,面较大的,z,板。,y-bar z-plate,同一品种的晶体，不论其外形如何，两个相应晶面之间的夹角保持不变。这个普遍规律被概括为,:,晶面角守恒定律,。,由于外界条件的不同，晶体在生长过程中，这个晶面比那个晶面可能生长地更快些，甚至有的晶面在外形上并不出现，但两个对应晶面之间的夹角总是不变。,例如，石英晶体中的两个,m,面之间的夹角总是,120,00,，,r,面和,s,面之间的夹角总是,113,08,。晶面守恒定律的发现对于结晶学的发展起了很大的促进作用。例如，从晶面角之间的关系导致晶体对称性概念的产生。,石英晶体各晶面法线夹角,两个晶面,夹角,两个晶面,夹角,mm,mR,mr,ms,mx,60,0,38,13,38,13,37,55,12,1,Rr,sR,sr,sx,46,18,28,58,28,58,25,54,石英晶体的晶轴和坐标轴：,石英晶体属于,32,点群，其中：,c,轴是三重轴，,a,、,b,轴是二度轴。,人工石英晶体的外形不同于理想石英，但是晶轴和坐标轴的选择是完全一样的。,石英晶体分为左旋右旋之分；有的文献左旋晶体用左手坐标系，右旋晶体用右手坐标系；这样压电常数的符号相同；,通常情况，左旋、右旋晶体都使用右手坐标系，这样压电常数的符号相反；绝大多数人工石英晶体是右旋晶体。,石英晶体的,光轴 电轴 机械轴,z,轴与天然石英晶体的上、下顶角连线重合,(,即与晶体的,C,轴重合,),。因为光线沿,z,轴通过石英晶体时不产生双折射，故称,z,轴为石英晶体的,光轴,。,x,轴与石英晶体横截面上的对角线重合,(,即与晶体的,a,轴重合,),，因为沿,x,方向对晶体施加压力时，产生的压电效应最显著，故常称,x,轴为石英晶体的,电轴,。,沿,x,轴或者,y,轴施加应力，在,y,轴不产生压电效应，只产生形变。,Y,轴称为,机械轴,。,石英晶体晶面指数：,晶体的晶面和晶向指数是按照晶轴坐标系确定的。晶面指数又称为米勒,(miller),指数。定义为晶面在晶轴截距倒数的互质比。通常为三轴指数。对于石英晶体又有三轴指数和四轴指数。,三轴是：,a,、,b,、,c,四轴是：,a,、,b,、,d,、,c,三轴表示的面指数（,hkl,）；,四轴表示的面指数（,hkil,），并且有,h+k+i,=0,石英晶体常见的晶面指数：,在晶体的定向和切割会用道晶面指数。,石英晶体的内部结构（微观结构）,石英晶体在,573,C,870,C,之间为,相。,在,573,C,之下为,相，有左旋和右旋之分。,右旋和左旋晶体三个晶胞中,Si,原子的位置。,右旋石英晶体三个晶胞在,c,面的投影图：,沿,c,轴方向存在比较大的通道。这些通道通常是杂质原子所在地，而且晶体中较小的杂质离子（如：,H,+,、,Li,+,和,Na,+,等）容易沿通道移动。由这一特征可以理解石英晶体的许多物理性质。例如：平行于,z,轴的电阻率远小于垂直方向的电阻率。,石英晶体是用水热法在,SiO,2,过饱和溶液中生长的。在常温常压下，石英晶体不溶于水，也没有有效的助溶剂。但是高温有利于石英晶体的溶解，在加入适量的助溶剂（如：,NaOH,或者,Na,2,CO,3,）后，即可使石英晶体达到所需要的溶解度。这就是用高压釜培育石英晶体的原理。,高压釜是提供高温高压的设备。,石英晶体的人工培育,高压釜内部用,对流板,分成上下两部分。上半部是,生长区,，下半部是,溶解区,。溶解区放置适量的石英碎块，生长区的,籽晶,架上悬挂籽晶。注入碱溶液，,填充率,80%,85%,。装料后密封，然后在高压釜外围加热。加热器的设计使高压釜上下保持一定的,温差,，使二氧化硅碱溶液形成对流。溶解区的饱和溶液可进入生长区，并形成过饱和溶液，籽晶在过饱和溶液中生长。同时生长区的回流到溶解区补充原料。,如此循环，使晶体逐渐长大。历时几十天，可以培育出所需要的人造石英晶体。,高压釜上半部温度约,400,C,，下半部温度约,350,C,；釜内压强,100,200,兆帕；内径,65,厘米，外径,1.8,2.5,倍内径，长度,10,20,倍内径。,影响生长速率和晶体质量的主要因素：籽晶的取向；溶液的种类和浓度；填充度；高压釜上下部的温度差；对流控制板的开孔率，,5%,10%,左右。,石英晶体的主要特性：,石英晶体的研究和应用已经有许多年了，积累大量的实验数据。这些数据描写了石英晶体的主要特性：,热学参数：热膨胀系数及其温度系数，导热系数，比热,电学参数：介电常数，及其温度系数，电阻率,弹性常数：顺服常数、劲度常数，及其各级温度系数,压电常数：及其温度系数,密度和密度温度系数,许多文献手册可以查到,石英晶体的质量检验方法,石英晶体的质量检验方法通常有：标准方法，红外吸收法和生长速率各向异性法。,标准方法是按照石英谐振器的,Q,值来确定的。其他方法也是换算成,Q,值来鉴定的。,Q,值又称机械品质因子,Q,m,。,Mechanical quality factor,标准方法石英晶片的取片位置。,鉴定石英晶体质量,Q,值的谐振器要求,:,（,1,）晶片的切型为,AT35,22,2,，取自晶体的,z,区；,（,2,）谐振器频率,5MHz,5kHz,（五次泛音）；,（,3,）晶片为平凸型，直径,14mm,，曲率半径,50mm,，表面经过抛光；,（,4,）电极直径,8.5mm,，电极材料为银或者金，镀电极后频率返回量,2kHz,；,（,5,）支撑点在,z,轴与圆周之间的两个交点上；,（,6,）密封真空度优于,10,-3,Pa,。,按,Q,值大小对石英晶体分级（,GB3352-82,）,级别,最小,Q,值,级别,最小,Q,值,A,B,C,3,10,6,2.4,10,6,1.8,10,6,D,E,1.0,10,6,0.5,10,6,其中：,A,级和,B,级石英晶体可用来制造最高质量的石英谐振器，,C,级主要用于高频谐振器，,D,级和,E,级主要适用于低频谐振器。,Q,值很低（几十万或者以下）的石英晶体，其,Q,值随温度的升高而迅速下降，所以有时用,Q,值随温度的变化来评价人造石英晶体。高,Q,值的人造石英晶体就不需要这种评价方法，它们的,Q,值对温度是很稳定的。,石英晶体的缺陷和电清洗：,缺陷包括：包裹体、位错、杂质、双晶、蓝针、气泡,包裹体：晶体浸在折射率相匹配的液体中，由光源的散射光可以观察到得晶体中的外来物质。包裹体有固体的，也有液体的。最常见的包裹体为锥辉石，即硅酸铁钠（,NaFeSi,2,O,6,）。此外，还有硅酸铝钠（,NaAlSiO,4,）和硅酸锂（,Li,2,Si,2,O,6,）等。包裹体的尺寸大多在,100,m,以下，个别的达,1mm,以上。,包裹体的数量和尺寸严重降低了晶体的质量，在高频应用中尤其应该注意。,AT,切片基频,24MHz,时的厚度仅,70,m,，接近于该尺寸的包裹体将使晶片无法正常工作。,国际电工委员会（,IEC,）根据包裹体的尺寸和浓度规定了石英晶体的级别。,级别,10,30,m,30,7,0,m,70,10,0,m,100,m,Ia,I,II,III,3,6,9,12,2,4,5,8,1,2,4,6,1,2,3,4,每立方厘米中各种包裹体的最大数目,这里,Ia,和,I,级用于特殊的高质量光学器件，,II,级一般用于高频体波或者表面波谐振器，,III,级用于大部分专业和工业元件。,我国国家标准,GB3352-82,规定石英晶体按包裹体尺寸和浓度分级如下。,级别,30,7,0,m,70,10,0,m,100,m,1,2,3,8,16,32,4,8,16,1,2,4,石英晶体按包裹体尺寸和浓度分级,位错：石英晶体中常见的位错有三种：一是其轴垂直于,c,轴的螺旋位错；而是其轴平行于,c,轴的刃型位错；三是混合位错。因为沿,c,面生长的晶体（即,z,区晶体）质量最好，所以我们主要关心的是平行于,c,轴的刃型位错。,观测位错一般用,x,射线形貌相机；也可以用化学腐蚀法揭示腐蚀隧道，以此作为位错数目的量度。,国际电工委员会 按腐蚀隧道密度对石英晶体分级,级别,腐蚀隧道最大数目（,cm,-1,）,级别,腐蚀隧道最大数目（,cm,-1,）,1,2,3,10,30,100,4,5,300,600,杂质：浓度单位为（相对于,Si,的）,10,-6,杂质,典型浓度,最大浓度,人造,