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石英晶体基础知识

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1 / 24 石英晶体基础知识

目 录

一、石英晶体的基本知识………………………………………………………… 2

1、化学物理特性……………………………………………………………… 2

2、石英晶体的振动模式……………………………………………………… 3

3、石英晶片的切型…………………………………………………………… 5

二、AT 石英谐振器的特性………………………………………………………… 8

1、频率方程…………………………………………………………………… 8

2、AT 切石英谐振器的频率温度特性………………………………………… 8

三、AT 切石英谐振器的加工制造………………………………………………… 15

1、X 光定向粘板……………………………………………………………… 15

2、石英晶片切割……………………………………………………………… 16

3、X 光测角…………………………………………………………………… 17

4、粘砣，切籽晶及改圆……………………………………………………… 17

5、研磨………………………………………………………………………… 18

6、滚筒倒边…………………………………………………………………… 18

7、石英片的腐蚀……………………………………………………………… 19

8、镀基膜……………………………………………………………………… 19

9、石英晶体的装架…………………………………………………………… 20

10、微调……………………………………………………………………… 22

11、真空烘烤和封装………………………………………………………… 22

12、密封性能检查…………………………………………………………… 23

13、石英谐振器的老化……………………………………………………… 23

14、石英谐振器的测试……………………………………………………… 23

一、 石英晶体的基本知识

1、化学物理特性

① 水晶的成份SiO2，在常压下不同温度时，石英晶体的结构不同，温度T＜573

℃时α石英晶体，当573℃＜T＜870℃时β石英晶体，熔点是1750℃，我们通常

说的压电石英晶体指α石英晶体。

② 具有压电特性：

发现

压电效应：

某些介质由于外界机械作用（如压缩，拉伸等等）而在其内部发生极化，

产生表面电荷的现象叫压电效应。

逆压电效应：

某些介质置于外电场中，由于电场的作用，会引起介质内部正负电荷中

心的位移，导致介质发生形变，这种效应称为逆压电效应。

石英晶体在沿X 轴（或Y 轴）方向的力的作用时，在X 方向产生压电效应，

而Y 和Z 方向不产生压电效应，X 轴称为电轴，Y 轴称为机械轴。

③ 具有各向异性：石英晶体是一种良好的绝缘材料，导热系数在室温附近，沿Z

轴方向是垂直于Z 轴方向的2 倍左右，沿Z 轴方向的线性膨胀系数a3 约为沿

垂直于Z 轴方向线性膨胀系数a1 的1/2，其介电系数ε，压电系数d 等随方向

的不同其数值也不同，在不同温度，导热系数K 与膨胀系数a 的数值也不同。

④ 是外形高度对称的单晶体，其特征是原子和分子有规则的排列发育良好的石英

晶体，外形最显著的特点是晶面有规则的配置，石英晶体的晶面共30 个，六

个m 面（柱面），六个R 面（大棱面）六个r 面（小棱面）六个s 面（三方偏

锥面)，六个X 面（三方偏面），相邻M 面的夹角度为60°，相邻M 面和R

面的夹角与相邻M 面和r 面的夹角都等于38°13′，相邻s 面与X 面的夹角

为25°57′。

石英晶体存在一个三次对称轴C 和三个互成120°的轴a、b、d，在讨论石

英晶体的物理性质时，采用下图所示的直角坐标系较为方便，选C 轴为z 轴，a

（或b、d）轴为X 轴，与X 轴Z 轴垂直的Y 轴，其指向按1949 年IRE 标准规

定，对左右旋晶体均采用右手直角坐标系。

如图：a、b、c、d 为晶体坐标系

X、Y、Z 为直角坐标系

⑤ 具有双折射现象：

但当光沿Z 轴方向射入时不发生双折射现象，所以又称Z 轴为光轴。

⑥ 石英晶体的密度ρ=2.65g/cm2，硬度为莫氏硬度7，在常温常压下不溶于三酸

（HCL,H2SO4,HNO3），属于溶解度极小的物质，但是氢氟酸和氟化氢铵却是石英

晶体良好的溶解液，其化学反应方程式

SiO2+4HF=SiF4+2H2O （3SiF4+3H2O=H2SiO3+2H2SiF6）

SiO2+4HF+2NH4F=（NH4）2SiF6+2H2O

其特性用于石英片的腐蚀。

2、石英晶体的振动模式：

石英晶片在电场作用下，由于内部产生应力而形变，从而产生机械振动，晶片

的振动都是单纯的周期振动，所谓周期（T）就是机械波在传播过程中完成一次循环所需的时间，周期的倒数f 是单位时间内振动的次数，我们称为频率，单位是Hz（赫兹）或千赫兹（KHz）或兆赫兹（MHz），石英晶体的振动形式有伸缩振动、弯曲振动、面切变振动和厚度切变振动，按照不同的使用要求，石英谐振器的频率f从几千赫兹到几百兆赫兹，采用不同的振动模式和不同的晶片尺寸来实现产品所要求的频率。

① 长度伸缩振动模式：

当晶片的长度L＞＞t（厚度）及W 宽度时，其振动模式的频率f∝1/L

即fn=nKr/L（n=1、2、3…）

例：X+5°Kr=2820KHz,mm 频率范围50~400KHZ

② 弯曲振动模式

当L＞＞t，W 时f∝W/L2 fn=nKW/L2 （n=1、2、3…）

例：NT5°/-50° Kr=4488~5590（W/L：0.11~0.33） （KHz,mm）

频率范围：16MHz~100KHz

③ 面切变振动模式

t＜＜L.W 时

频率方程：f∝1/L fn=nKr/L （n=1、2、3…）

例：CT37°30′ Kr=3082KHz.mm（W/l=1）

频率范围100KHz~600KHz

④ 厚度切变振动模式：

频率f∝1/t 即fn=nKr/t （n=1、2、3…）

例：AT 35° Kr=1670KHz,mm

频率范围500KHz~350MHz

BT -49° Kr=2650KHz,mm

频率范围

3MHz~75MHz

3、石英晶片的切型

石英晶片对晶体坐标轴某种方位的切割称为石英晶片的切型。由于石英晶体的

各向异性，不同切型的石英片，因其弹性性质，压电性质，温度性质不同，其电

特性和热特性也各异。

下图表示的是各种切型的位置：

① 切型符号表示：

石英晶体的切型符号有两种表示方法，一种是IRE 标准规定的符号表示法，另一种是石英晶体所特有的习惯符号表示法。IRE 规定的切型符号用一组字母（XYZlWt）和角度表示，用XYZ 中三个字母的先后排列来表示晶片的厚度和长度沿坐标轴的原始方位，用t（厚度）、l（长度）、W（宽度）来表示旋转的方位，角度的正号表示逆时针旋转、负号表示顺时针旋转。

例：（Yxl）35° 原始晶片角度：Y 方向

原始晶片长度：X 方向

绕长度方向（X 轴）逆时针旋转35°即得到晶片的切割方位，（XYtl）5°/-50°厚度t（X 轴）逆时针旋转5°，再绕长度l（Y 轴）顺时针旋转50°，即是石英片的切割方位。

石英晶体的习惯符号多数用二个英文大写字母表示，例（YXl）35°切型习惯

符号用AT 表示，（XYtl）5°/-50°用NT 表示。

② 常用石英晶体切型：

二、 AT 石英谐振器的特性

1、频率方程

① 特点：a、频率高，范围宽500KHz~350MHz。

b、压电活力高。

c、宽温度范围内（-55°~85℃）频率温度特性好。

d、加工方便，体积小，适于大批量生产。

② 振动频率方程：fn=n Kr/t (n=1、3、5、7…) 当l/t＞＞20 w/l＞＞20

或φ/t＞＞60 时，上式Kr=1670KHz.mm

例：25MHz，FUNDAMENTAL 时，厚度是66.8μm

再薄的实际上加工不可能，而利用OVERTONE 的形式，可加工具有从25MHz

到200MHz 频率的晶体。

2、AT 切石英谐振器的频率温度特性

① 温度特性：石英谐振器的频率随温度变化而变化的性质。

石英谐振器的频率温度特性方程为：

△f/f0=(f-f0)/f0=a0(T-T0)+b0(T-T0)2+c0(T-T0)3

其中

T：任意温度

T0：参考温度

f0：在参考温度T0 时的频率

a0、b0、c0 为T0 时的一级、二级、三级温度系数。

石英谐振器的温度系数Tr=(l/f0)*(df/dT)=a0+2b0(T-T0)+3c0(T-T0)2

其中：

a0=(l/f0)* (df/dT) T-T0

b0=(1/2f0)*(d2f/dT3) T-T0

c0=(1/6f0)*(d3f/dT3) T-T0

Tr 为任意温度T 时的频率温度系数，Tr 绝对值的大小表示该温度附近频率随温

度变化的大小，当Tr=0 时，则表示在该温度时频率随温度的变化为零，温度稳

定性最好，当T=T0 时，Tr=a0，这表明只有在a0=0 时，才能Tr=0，所以a0=0

的切角称为零温度系数切角，AT 切型的切角为35°15′时：

a0≈0

b0=0.39×10-9/℃2

c0=109×10-12/℃3

而a0、b0、c0 随切角而变化，其变化率为：

da0/dφ=-5.15×10-6/℃·度

db0/dφ=-4.7×10-9/℃2·度

dc0/dφ=2×10-12/℃3·度

φ为AT 切型的切角

② AT 切频率特性曲线与特性方程：

频率特性曲线随切型、切角、尺寸、密度和弹性系数而变化，下图（1）

是各种切型理论上的温度曲线

在φ=35°05′~35°30′范围内AT 切型频率温度特性曲线如下图（2）所示

从图可知，在拐点（Ti）

(d2f/dT2)T1=0

在极点（Tm、Tn）有(df/dT)Tm.n=0

若选Ti 为参考温度，则：

曲线A：b0=0 曲线方程为：

△f/f0= a0(T-Ti) +c0(T-Ti)3

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石英晶体的基础知识和参数

石英晶体的基础知识和参数

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/ 石英晶体的概念及常用参数

1、概念

石英晶体，成分SiO2,它不仅是较好的光学材料而且是重要的压电材料，晶体的主要特征是其原子或分子的有规律排列，反映在宏观上是外形对称性。人造水晶在高温高压下结晶而成，在电场的作用下，晶体内部产生应力而形变，从而产生机械振动获得特定的频率，我们利用它的这种逆压电效应来制造石英晶体谐振器。

Quartz crystal, composition is SiO2, it is not only a good

optical materials is important and piezoelectric materials, the

main characteristic of crystal is the regular arrangement of

atoms or molecules, is reflected in the macro appearance of

symmetry. Artificial crystal crystal under high temperature and

high pressure, under the action of electric field, the stress and

deformation is generated in the crystal to produce mechanical

vibration for a specific frequency, we use it to the inverse

piezoelectric effect to manufacturing quartz crystal resonator.

2、频率公差 (FL)

在常温下参考点（25℃）中心频率的偏差值，用最小值和最大值来定义，单位用百分（%）或百分比（ppm)

Reference point at room temperature (25 ℃) center frequency

知识讲解——认识晶体 金属晶体与离子晶体(基础)

知识讲解——认识晶体 金属晶体与离子晶体(基础)

认识晶体 金属晶体与离子晶体（基础）

编稿：房鑫 审稿：张灿丽

【学习目标】

1、从晶体的一般性认识出发，了解晶体与非晶体的本质区别。

2、从组成微粒和微粒间相互作用的不同，认识金属晶体和离子晶体的结构及其性质特点。

3、能列举金属晶体的基本规程模型——简单立方堆积、钾型、镁型和铜型。

4、能根据离子晶体的结构特征解释其物理性质；了解离子晶体的特征；了解晶格能的应用，知道晶格能的大小可以衡量离子晶体中离子键的强弱。

【要点梳理】

要点一、晶体的特性、分类

1．晶体的概念

人们把内部微粒（原子、离子或分子）在空间按一定规律做_______ _构成的固体物质称为晶体。

2．晶体的特征

（1）晶体具有____ ____、各向异性、特定的对称性三个重要特征。

（2）晶体的自范性是指晶体能够自发地呈现________的________的多面体外形。晶体的各向异性是指晶体在不同的方向上表现出不同的________性质。晶体的对称性指晶体的外形呈现轴对称性或面对称性。

3．晶体的分类

根据晶体内部微粒的种类和微粒间相互作用的不同，可以将晶体分为______ __、___ _____、____ ____和________。对于常见的晶体，例如：氯化钠是Na+与Cl－通过_____ ___键形成的晶体，称为离子晶体；金属铜是以________键为基本作用所形成的晶体，称为金属晶体；金刚石是碳原子间完全通过_______键形成的晶体，称为原子晶体；冰是水分子间通过______ __形成的晶体，称为分子晶体。

要点诠释：四种晶体的比较

类型 离子晶体 金属晶体 原子晶体 分子晶体

组成粒子 阴阳离子 金属阳离子和自由电子 原子 分子

粒子间作用 离子键 金属键 共价键 分子间作用力

典型实例 NaCl Cu 金刚石 冰

答案：

1． 周期性重复排列

石英晶体谐振器基本知识介绍

石英晶体谐振器基本知识介绍

石英晶体谐振器基本知识介绍

1、石英晶体谐振器简介

石英晶体谐振器是一种用于稳定频率和选择频率的重要电子元件。在有线通讯、无线通讯、广播电视、卫星通讯、电子测量仪器、微机处理、数字仪表、钟表等各种军用和民用产品中得到了日益广泛的应用。我公司的石英晶体谐振器不仅广泛应用于国家重点军事及航天工程中，也为“神舟”系列飞船及其运载火箭进行了多次成功配套。

2、石英晶体谐振器名词术语

1) 标称频率：晶体元件技术规范中规定的频率，通常标识在产品外壳上，它与晶体元件的实际工作频率有一定的差值。

2) 工作频率：晶体元件与其电路一起产生的振荡频率。

3) 调整频差：在规定条件下，基准温度（25℃±2℃）时工作频率相对于标称频率所允许的最大偏差。

4) 温度频差：在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度（25℃±2℃）时工作频率的允许最大偏差。

5) 温度总频差：在规定条件下，在工作温度范围内相对于标称频率的允许最大偏差。

6) 等效电阻（ESR，Rr，R1）：又称谐振电阻。在规定条件下，石英晶体谐振器不串联负载电容在谐振频率时的电阻。

7) 负载谐振电阻（RL）：在规定条件下，石英晶体谐振器和负载电容串联后在谐振频率时的电阻。

8) 静电容（C0）：等效电路中与串联臂并接的电容，也叫并电容。 9) 负载电容（CL）：从石英晶体谐振器插脚两端向振荡电路方向看进去的全部有效电容为该振荡器加给石英晶体谐振器的负载电容。负载电容系列是：8pF、12pF、15pF、20pF、30pF、50pF、100pF。负载电容与石英谐振器一起决定振荡器的工作频率，通过调整负载电容，一般可以将振荡器的工作频率调到标称值。产品说明书中规定的负载电容既是一个测试条件，也是一个使用条件，这个值可以根据具体情况作适当调整，负载电容太大时杂散电容影响减少，但微调率下降；负载电容小时、微调率增加，但杂散电容影响增加，负载电阻增加，甚至起振困难。负载电容标为∞即为串联谐振。10) 频率牵引灵敏度（Ts）：为相对频率牵引范围对负载电容的变化率，即负载电容变化1pF时频率的相对变化值，它反映改变负载电容时引起频率变化的灵敏度，也称频率可调性。

晶振选型与应用知识

晶振选型与应用知识

石英晶振选型与应用知识

石英晶体是压电晶体的一种，沿着特定的方向挤压或拉伸，它的两端会产生正负电荷，这种效应称为正压电效应；相反，对晶体施加电场导致晶体形变的效应，称为逆压电效应。所以在石英晶片两面施加交变电场，晶片就会产生形变，而形变又会产生电场，这是一个周期转换的过程。对于特定的晶片，这个周期是固定的，我们利用这个周期来产生稳定的基准时钟信号。

石英晶体元器件，是利用石英晶体的压电效应实现频率控制、稳定或选择的关键电子元器件。包括石英晶体谐振器、石英晶体振荡器和石英晶体滤波器。 在石英晶片的两面镀上电极，经过装架、调频、封装等工序后制成石英晶体元件。石英晶体元件与集成电路等其它电子元件组合成石英晶体器件。本文主要介绍石英晶振：即所谓石英晶体谐振器（无源晶振）和石英晶体振荡器（有源晶振）的统称。一般的概念中把晶振就等同于谐振器理解了，振荡器就是通常所指钟振。石英晶振是一种用于稳定频率和选择频率的电子元件，已被广泛地使用在无线电话、载波通讯、广播电视、卫星通讯、仪器仪表等各种电子设备中.

一、 石英晶振的型号命名方法

1.国产石英晶体谐振器的型号由三部分组成：

– 第一部分：表示外壳形状和材料，

B表示玻璃壳，J表示金属壳，S表示塑料封型；

– 第二部分：表示晶片切型，与切型符号的第一个字母相同，

A表示AT切型、B表示BT切型，

– 第三部分：表示主要性能及外形尺寸等，

一般用数字表示，也有最后再加英文字母的。

JA5为金属壳AT切型晶振元件，BA3为玻壳AT切型晶振元件。

2石英晶体振荡器的型号命名有四部分组成：

.

– 第一部分：主称

用大写字母Z表示石英晶体振荡器；

– 第二部：类别

用大写字母表示，其意义见下表：

– 第三部分：频率稳定度等级

用大写字母表示，其意义见下表：

– 第四部分：序号

用数字表示，以示产品结构性能参数的区别 从型号上无法知道晶振元件的主要电特性，需查产品手册或相关资料才行。