1、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）re
2、solution 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，
3、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
4、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： GaPO4, AlPO4, La3Ga5SiO14(LGS)，RCaO4(BO3)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
5、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：SiO2 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
6、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12000，r面和s面之间的夹角总是11308。 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,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
7、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
8、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573C 870C之间为相。 在573C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，
9、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SiO2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Na2CO3）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
10、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1.82.5倍内径，长度1020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
11、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Qm。 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
12、振器要求: （1）晶片的切型为AT35222，取自晶体的z区； （2）谐振器频率5MHz5kHz（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10-3Pa。,按Q值大小对石英晶体分级（GB3352-82）,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
13、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（NaFeSi2O6）。此外，还有硅酸铝钠（NaAlSiO4）和硅酸锂（Li2Si2O6）等。包裹体的尺寸大多在100m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
14、。,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。,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。,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
15、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,杂质：浓度单位为（相对于Si的）10-6,石英晶体中杂质的位置,双晶： 石英晶体中有两种双晶：电双晶、光双晶 电双晶，也称为道芬双晶（Dauphine）:两部分同为左旋或者同为右旋晶体，一部分绕z轴（c轴）转180即得另一部分。由于两部分电轴（x轴）极性相反，所以电双晶没有压电性。这是电双晶名字的来历。 光双晶，又称为巴西双晶（Brazil）：他由左旋或者右旋两部分连生而成。由于左、右旋晶体的旋光性相反，所以光双晶失去了旋光性。这是光双晶名字的来历。,电双晶,光双晶,电双晶,光双晶,石英晶体的电清洗： 电清洗是通过施加电场改变人造石英晶
16、体中的电荷补偿状态以提高抗辐射能力的方法。 人造石英晶体中几乎都含有Al、Li、Na杂质，而且Al3+倾向于占据Si4+的位置，因此需要有电荷补偿。碱金属离子M+可以提供这种补偿，即形成Al3+M+O4原子团。杂质H也可以离化而提供所需要的电子，即形成Al3+H+O4原子团。,Al占据Si的位置，由M+（Li+、Na+等）提供电荷补偿。,Al占据Si的位置，由H+提供电荷补偿。,通常碱金属的激活能在0.761.24eV之间，氢的激活能在1.51.9eV之间。在受到辐照时，碱金属离子可被释放，他们将松弛低束缚在沿z轴的通道内，使晶格畸变，弹性常数改变，于是谐振频率也就改变了。,而H+电荷补偿状态
17、中，氢较难释放，而且其离子半径小，造成的晶格畸变小，抗辐照能力强。,受辐照不稳定,受辐照稳定,在较高的温度和电场作用下，碱金属离子被释放。令电场沿z轴。碱金属离子将沿z轴迁移，而Al3+所需要补偿的电荷由H+提供。 电清洗可以在空气中或者真空中进行。样品上制备与z轴垂直的电极，通常蒸镀金或铂电极。温度在500C左右，直流电场强度13kV/cm。 电清洗的效果：降低了晶体内的微观应力。腐蚀隧道密度降低，断裂强度提高，电导率明显减小。,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,
