浙江藍(lán)晶芯微電子有限公司

ZHEJIANG LUCKI CM ELECTRONICS CO.,LTD

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(Silicon Dioxide,SiO2),以32點(diǎn)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)施加壓力在晶體某些方向時(shí)，垂直施力的方向就會(huì)產(chǎn)生電氣電位.相對(duì)的當(dāng)以一個(gè)電場(chǎng)施加在石英晶體某些軸向時(shí)，在另一些方向就會(huì)產(chǎn)生變形或振動(dòng)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(hào)的參考基準(zhǔn)，就是水晶震蕩器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.因?yàn)槭⒕w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(dòng)的屬性，可以分為體波(bulk wav)振動(dòng)組件及表面聲波(surface acoustic wave)振動(dòng)組件.體波振動(dòng)組件如石英晶體共振子，石英晶體濾波器及石英晶體振蕩器，表面波振動(dòng)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(jī)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(quartz wafer或quartz blank).將這個(gè)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(quartz crystal resonator).利用石英共振子在共振時(shí)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Voltage Controlled Crystal Oscillator,,VCXO),溫度補(bǔ)償石英晶體振蕩器(Temperature Compensated CrystalOscillator,,TCXO),恒溫槽控制石英晶體振蕩器(Oven Controlled Crystal Oscillator,OCXO).等.相對(duì)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(SAW Resonator))或表面聲波濾波器(SAW Filter)。

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?cè)诠柙由戏郊把踉酉路椒謩e給予正電場(chǎng)及負(fù)電場(chǎng)時(shí), 空間系統(tǒng)為了維持電位平衡, 兩個(gè)氧原子會(huì)相互排斥, 在氧原子下方形成一個(gè)感應(yīng)正電場(chǎng)區(qū)域, 同時(shí)在硅原子上方產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)電場(chǎng)區(qū)域. 相反的情況, 當(dāng)我們?cè)诠柙由戏郊把踉酉路椒謩e給予負(fù)電場(chǎng)及正電場(chǎng)時(shí), 兩個(gè)氧原子會(huì)相互靠近, 氧原子下方產(chǎn)生感應(yīng)負(fù)電場(chǎng),硅原子上方產(chǎn)生感應(yīng)正電場(chǎng). (圖二). 然而, 氧原子的水平位置變化時(shí), 鄰近的另一個(gè)氧原子會(huì)相對(duì)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(chǎng)的力量與原子之間的力量會(huì)相互牽動(dòng), 電場(chǎng)的改變與水平方向的形變是形成交互作用狀態(tài). 這個(gè)交互作用會(huì)形成一個(gè)在石英材料耗能最小的振動(dòng)狀態(tài), 祇要由電場(chǎng)持續(xù)給與能量, 石英材料就會(huì)與電場(chǎng)之間維持一個(gè)共振的頻率. 這個(gè)壓電效應(yīng)下氧原子的振幅與電場(chǎng)強(qiáng)度及電場(chǎng)對(duì)二氧化硅的向量角度有相對(duì)應(yīng)的關(guān)系.在實(shí)際的應(yīng)用上, 電場(chǎng)是由鍍?cè)谑⑿酒系慕饘匐姌O產(chǎn)生, 電場(chǎng)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.

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(elastic constant tensor),不同的壓電常數(shù)張量(piezoelectric constant tensor)及不同的介電常數(shù)張量(dielectric constant tensor).這些張量在石英組件的設(shè)計(jì)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-plt石英結(jié)構(gòu)上，幾種不同方向的石英板片切割方