晶體技術(shù)辭典

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1、技術(shù)辭典一.石英晶體與頻率控制組件六.石英晶體共振子的等效線路及參數(shù)二.石英晶體的壓電特性七.共振頻率(ResonanceFrequency)三.石英的切割角度八.專有名辭四.石英晶體的振動模態(tài)九.石英晶體發(fā)振器(CRYSTALOSCILLATORS)五.石英晶體的頻率與溫度特性任何相關(guān)問題歡迎E-mail給我們一.石英晶體與頻率控制組件　　石英是由硅原子和氧原子組合而成的二氧化硅（SiliconDioxide,SiO2）,以32點群的六方晶系形成的單結(jié)晶結(jié)構(gòu)﹝圖一﹞.單結(jié)晶的石英晶體結(jié)構(gòu)具有壓電效應(yīng)特性,當(dāng)施加壓力在晶體

2、某些方向時,垂直施力的方向就會產(chǎn)生電氣電位.相對的當(dāng)以一個電場施加在石英晶體某些軸向時,在另一些方向就會產(chǎn)生變形或振動現(xiàn)象.掌握單結(jié)晶石英材料的這種壓電效應(yīng),利用其發(fā)生共振頻率的特性,發(fā)揮其精確程度作為各類型頻率信號的參考基準,就是水晶震蕩器的設(shè)計與應(yīng)用.因為石英晶體具有很高的材料Q值,所以絕大部份的頻率控制組件,如共振子及振蕩器,都以石英材料為基礎(chǔ).以石英為基礎(chǔ)的頻率控制組件可以依其壓電振動的屬性,可以分為體波(bulkwave)振動組件及表面聲波(surfaceacousticwave)振動組件.體波振動組件如石英晶體

3、共振子,石英晶體濾波器及石英晶體振蕩器,表面波振動組件如表面波濾波器及表面波共振子.當(dāng)石英晶體以特定的切割方式,以機械加工方式予以表面研磨,完成特定的外型尺寸就是通稱的石英芯片(quartzwafer或quartzblank).將這個石英芯片放置在真空還境中,于表面鍍上電極后,再以導(dǎo)電材料固定在金屬或是陶瓷基座上,并加以封裝,就成為一般所謂的石英晶體共振子(quartzcrystalresonator).利用石英共振子在共振時的低阻抗特性及波的重迭特性,用鄰近的雙電極,可以做出石英晶體濾波器.將石英振蕩子加上不同的電子振蕩

4、線路,可以做成不同特性的石英振蕩器.例如:石英頻率振蕩器(CXO),電壓控制石英晶體振蕩器(VoltageControlledCrystalOscillator,VCXO),溫度補償石英晶體振蕩器(TemperatureCompensatedCrystalOscillator,TCXO),恒溫槽控制石英晶體振蕩器(OvenControlledCrystalOscillator,OCXO)…等.相對于體波諧振的是表面聲波的諧振.將石英晶體表面鍍以叉狀電極(inter-digital-transducer,IDT)方式所產(chǎn)生的

5、表面振蕩波,可以制造出短波長(高頻率)諧振的表面聲波共振子(SAWResonator)或表面聲波濾波器(SAWFilter).二.石英晶體的壓電特性　　石英材料中的二氧化硅分子(SiO2)在正常狀態(tài)下,其電偶極是互相平衡的電中性.在(圖二左)的二氧化硅是以二維空間的簡化圖形.當(dāng)我們在硅原子上方及氧原子下方分別給予正電場及負電場時,空間系統(tǒng)為了維持電位平衡,兩個氧原子會相互排斥,在氧原子下方形成一個感應(yīng)正電場區(qū)域,同時在硅原子上方產(chǎn)生感應(yīng)負電場區(qū)域.相反的情況,當(dāng)我們在硅原子上方及氧原子下方分別給予負電場及正電場時,兩個氧原

6、子會相互靠近,氧原子下方產(chǎn)生感應(yīng)負電場,硅原子上方產(chǎn)生感應(yīng)正電場.(圖二).然而,氧原子的水平位置變化時,鄰近的另一個氧原子會相對的產(chǎn)生排斥或吸引的力量,迫使氧原子回到原來的空間位置.因此,電場的力量與原子之間的力量會相互牽動,電場的改變與水平方向的形變是形成交互作用狀態(tài).這個交互作用會形成一個在石英材料耗能最小的振動狀態(tài),祇要由電場持續(xù)給與能量,石英材料就會與電場之間維持一個共振的頻率.這個壓電效應(yīng)下氧原子的振幅與電場強度及電場對二氧化硅的向量角度有相對應(yīng)的關(guān)系.在實際的應(yīng)用上,電場是由鍍在石英芯片上的金屬電極產(chǎn)生,電場

7、與二氧化硅的向量角度則是由石英晶棒的切割角度來決定.(Fig.2)SimplifiedonedimensionalpiezoelectricityofSiO2三.石英的切割角度　　依據(jù)不同的應(yīng)用領(lǐng)域及工作溫度需求,因應(yīng)了許多不同的石英切割角度種類.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彈性常數(shù)張量(elasticconstanttensor),不同的壓電常數(shù)張量(piezoelectricconstanttensor)及不同的介電常數(shù)張量(dielectricc

8、onstanttensor).這些張量在石英組件的設(shè)計及應(yīng)用上展現(xiàn)了不同的振蕩及溫度特性.(圖三)表現(xiàn)了在Z-plat石英結(jié)構(gòu)上,幾種不同方向的石英板片切割方式.﹝Fig.3﹞OrientationangleofaZ-platequartzcrystal.四.石英晶體的振動模態(tài)　　經(jīng)由不同的石英切割角度