石英晶体基础知识资料.docx

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石英晶体基础知识资料

石英晶体基础知识

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/L2fn=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/Lfn=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：

AT35°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=nKr/t（n=1、3、5、7…）当l/t＞＞20w/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

②AT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

曲线B：

a0=0b0=0（Ti为参考温度）

△f/f0=c0（T-Ti）3

曲线B在拐点附近较窄的温度范围内△f/f的变化很小，适合于窄温小公差

产品的要求，曲线A在拐点附近较宽的温度范围内，由于存在两个极点，△f/f

的变化很小，能够满足宽温度范围的使用要求，其差别在于A曲线的一级温度

系数a0≠0，所以在实际应用中为了扩大温度使用范围，当曲线B切角确定后，

还应采取稍微改变切角的方法，使a0变得不为零，即可达到宽温度使用要求，

AT切的拐点温度为Ti=27℃，不同切角极点温度为：

③影响AT切型频率温度特性的因素：

a、切角φ的影响，当晶片的外型确定后，改变频率温度特性曲线的最有效的方

法是改变晶片切角，理论上AT切的温特曲线如图所示，这些曲线是切角在

基准角的基础上各变化2′得到的。

水晶片切断角度的中心值也根据PACKAGETYPE的大小（水晶片的大小），

发振频率（水晶片的厚度）及水晶片的加工法等所变化，所以不能肯定此曲

线的0必须是ATCUT水晶片的切断角度的35°15′，而且这些曲线模样也

在各种条件下可变，故此频率温度特性曲线不一定符合ATCUT水晶片，因

此，水晶振动子的频率特性有各种制造上的制约，实际上不能照样适用理论

曲线。

b、晶片尺寸的影响：

晶片厚度变薄时，需增加切角，以满足温度特性。

晶片直径变小时，需增加切角，以满足温度特性。

磨双凸或倒边使晶片φ/t增加时，需减小切角。

c、泛音次数的影响：

基频，35°15′

3次泛音，35°15′+8′=35°23′

5次泛音，35°15′+10′=35°25′

7次泛音，35°15′+12′=35°27′

d、电轴偏差的影响：

晶片电轴方向的切角误差XX′≤30′，电轴方向切角的

误差光轴方向的切角误差约为XX′=45′ZZ′=1′

d1、等效电路

谐振时Z=R1fs=1/2π（L1C1）1/2

反谐振时Z=1/ωp2c02R1

L1：

动态电感

C1：

动态电容

R1：

等效串联谐振电阻

C0：

静电容

d2、负载电容：

在振荡器中与石英谐振器联合决定工作频率的有效外界电容，称为负载电

容（CL），也就是说由于石英谐振器工作在某种线路之后，所给的工作频率既

不是石英谐振器的串联谐振频率，也不是其并联谐振频率，而是两个频率之间，

这个结果是因线路的影响的缘故，就相当于在石英谐振器上串上或并上一个电

容的影响是一样的。

即：

d3、等效电阻R1

石英谐振器的等效电阻是谐振器损耗机构的一个量度，它包括内摩擦，支

架的损耗，空气阻尼和电极与石英片之间的摩擦等，这些参数是很难计算的，

经验公式为（d/t＞20）

R1=nK/d2f

式中，n为泛音次数，d为电极直径（单位英寸），f为频率（单位MHz）

d4、品质因数Q

品质因数Q的定义为Q=每个周期贮存的能量/每个周期失去的能量

对于石英谐振器Q=2πL1/R1=1/2πfC1R1

AT切石英谐振器可能得到最大的Qmax为：

Qmaxּf=K

Qmax=K/fK=15×1012Hz

d5、参数间的关系：

石英谐振器的负载谐振频率fSL与谐振频率f0、C0、L0、C1、CL之间的关

系为：

d6、负载电容CL与负载谐振频率fSL关系

d7、静电容C0：

d8、激励电平：

三、AT切石英谐振器的加工制造

注意事项：

a、禁止严重的冲击。

b、因不注意摔过的再测定后使用。

c、不许给急剧的温度变化（高温），350℃以上。

350℃以上则粘接剂的性能弱化，573℃以上则水晶的材质变化，（α水晶

变为β水晶）

1、X光定向粘板：

①X光机测角原理：

石英晶体的X光射线定向通常是采用铜靶X光管，铜靶所产生的特征X射

线有λKα1=1.5374AλKα2=1.5412AλKβ=1.3892A三种射线的强度比为

Kα1:

Kα2:

Kβ=100:

50:

22，X光机定向使用的是Kα射线，它与Kβ的强度比Kα：

Kβ

=7：

1，由于X光是电磁波，因此会产生干涉，衍射等现象，当照射到晶体内部

的X光满足布拉格相干公式，nλ=2dsinθ时，（λ为X射线的波长，d为原子面间距，θ为X光线反射角；n为反射级数n=1、2、3、4….）晶格原子中的电子因X射线的作用产生强迫振动，振动的结果是各个原子发出与X射线频率相同的子波，这些子波互相干涉，叠加后在某些方向上互相加强，而在其它方向则互相抵消或减弱，这就叫X光衍射，入射X射线的方向与衍射光最强的方向，同原子的几何关系，相似与几何光学的反射定律（即λ射角等于反射角），但是注意X光射线衍射只是在特定条件下的“反射”，用布拉格公式nλ=2dsinθ可以看出，当X射线波长固定后（X光管靶材料固定），不同的原子面因晶距d不同，它们的反射角θ也就不同，X射线测角仪就是利用这个原理，对不同切型的石英晶片，采用不同的原子面定向。

②X光机的构造：

a）X光管：

X光管为一抽成高真空的玻璃管，管内存阳极和阴极，阴极在电

源E1的作用下发射热电子，在高压电源E2提供的强电场作用下电子以高

速轰击阳极（铜靶），靶上就产生了X射线。

b）电离箱：

电离箱是由电离管和放大器组成的，用于测定X射线的反射强度。

c）测角器：

即工作度盘，由两个分别独立的旋转度盘系统组成，分别控制着

被测晶片支架和电离管方位，测角时，从被测石英晶片支架的度盘上可以

读出X光射线的反射与石英晶片之间的夹角θ′12，然后与标准晶片的

θ12相比较就能确定石英片切割面的方位。

③X光机粘板：

根据需用晶片要求的切割角度，利用X光机和专用粘板工装将水晶棒粘接在切割机料板上。

具体操作过程见工艺，粘接面+X面，衍射原子面

（0003）衍射角25°20′

注意事项：

a、粘接前要用标晶调零位，在粘接过程中显示器因某些原因不复零，应用标

晶校零后再继续工作。

b、确保料板基准面与工作台洁净。

c、为了保证切割质量，粘接时要注意胶层均匀，粘接面积要充分，避免石英

晶片掉片、掉角、破边等。

d、根据切割机切割部位，确保水晶棒两头及间隔均匀，整齐。

2、石英晶片切割

①AT切晶片的切割：

就是利用多刀切割机，根据X光机定向粘板要求的角度，

加工成要求厚度的AT切长条片，切割工序包括组刀、上刀架、组装刀架、研

磨剂混合、料板清洗及晶片清洗等，详细的操作步骤见工艺。

②多刀切割机的特点：

a）效率高，节省原料。

b）石英晶片平行度好，切角精度高，一致性好。

c）表面光洁度好，内应力小。

③注意事项：

a）影响切角精度的操作步骤要仔细认真，掌握切割机的切割切角精度，当精

度下降时，应立即调整或采取措施。

b）多刀切割质量受切割速度，刀体压力负荷及刀片绷紧程度的影响，应严格

按照工艺执行。

c）做好运行记录和料单的转料环节，严禁混料。

3、X光测角：

检查多刀切割的晶片是否合乎要求的精度，并对石英晶片的角度进行分类。

①工作时不时用标准晶片校准角度。

（2小时一次）

②衍射原子面（0111），与Z轴夹角38°13′，衍射角13°20′。

③显示的角度△θ是晶片切割面与原子面（0111）的夹角，即晶片的切角等于

38°13′-△θ=晶片切角。

④X光测角仪属于精密仪器，正确地使用和维护它是保证测角精度，延长测角仪寿

命的有效措施。

4、粘砣，切籽晶及改圆。

①粘砣：

将切割的石英晶片整齐地排列一定的长度，在加温状态下使松香和石蜡溶融在

石英片间隙中，冷却后粘成一定（规定）长度的石英晶片砣，便于切籽晶和改

圆工序加工。

②切籽晶：

去掉人造水晶的籽晶部分，并将条形砣切成方形砣，以便改圆工序加工。

③粘接工装夹具：

将切籽晶好的方砣两面的中心部位粘上工装夹具，以便于圆形加工。

④改圆：

根据设计要求，将石英片加工到要求的外形尺寸，我们采用磨轮的粒度。

第一次加工150#~170#

第二次加工800#

AT不同型号的石英谐振器，其外形尺寸不同，根据工艺设计，按照操作步骤将

石英片加工到要求的尺寸，在这里我们谈谈晶片直径的确定。

晶片的直径大小对石英谐振器活力和寄生振动有很大影响。

AT切型的寄生振动

主要包括XY′弯曲，Y′面切变和XY′伸缩三种振动，如果主振动频率与上

述三种振动之一的高次泛音频率接近时，就出现强耦合作用，引起活力突变或

频率跳跃现象，这种现象在AT切型的低频段及边比φ/t小的情况下容易出现。

AT切型圆片与上述三种寄生振动频率的关系为

XY′弯曲振动：

f弯=1380/φ.n弯

Y′面切变振动：

f面=3760/φ.n面

XY′伸缩振动：

f伸=2900/φ.n伸

式中：

φ-晶片直径（mm）

n弯=XY′弯曲振动泛音次数

n面=Y′面切变振动泛音次数

n伸=XY′伸缩振动泛音次数

当n弯为偶数时，主振动与XY′弯曲有强耦合作用

当n面为奇数时，主振动与Y′面切变有强耦合作用

当n伸为奇数或偶数时，主振动与伸缩振动有强耦合作用

所以上式中所确定的有关直径的数值，在AT切型晶片直径设计中不能采用。

5、研磨：

研磨是将切割好的晶片进行厚度加工和将改圆后的晶片研磨到要求的厚度（频

率）。

①研磨是石英谐振器制造过程中的一个重要环节，它的质量好坏对石英谐振器的各种参数，以及稳定性和使用寿命等都有直接的影响，研磨中的每道工序除了

达到规定的外形尺寸外，必须完全除掉上道工序的破坏层，只有这样才能保证

产品的质量，因此，研磨要分粗、中、细、精磨（即1000#、2500#、3000#、

4000#）几道工序对石英片进行研磨加工，以达到要求的技术指标。

②四道研磨的特点：

a、采用目前最合理的转速比，使石英片在研磨过程中运动轨迹重复性少。

b、研磨盘各点磨损均匀，变形小，保证了石英晶片的平整度。

c、游轮受扭力小，变形小，使用寿命长。

d、上下盘同时运动，增加了研磨力，提高了研磨效率。

③国内通常磨料性能一览表

④工艺因素对研磨质量和效率的影响：

a、磨料给量的影响：

磨料太多则浪费，磨料太小，不仅效率低，而且石英片容易破碎，必须适中。

b、磨料粒度的影响：

磨料的粗细与加工速度成正比，并决定了晶片表面破坏层的深浅。

c、液料比的影响：

磨料和冷却液的混合比例称为液料比，必须对不同的磨料选择合适的液料比，以获得较高的研磨效率。

上述的对质量的影响，均在工艺操作步骤中具体体现出来，所以必须遵守操作工

艺，才能生产出质量好的产品。

6、滚筒倒边：

将圆形或方形（条形）石英晶片的边缘滚磨成较薄的斜料，以提高石英晶片的活

力，滚筒倒边时，石英晶片与磨料按规定规格、比例装入规定直径的金属圆筒内，圆筒按所需的速度，石英片不仅随着筒在筒壁上滑动，而且还滚动、翻转，在磨料、晶片和筒壁间摩擦力作用下，经过一段时间，石英片被磨成所需的形状，尤其是在筒中再加一定量的细小铁球，增加了三者间的摩擦力，缩短了倒边的时间，特点是节省人力，在长时间滚磨石英片研磨的几率均等，频率、形状一致性好，这种方式也可以用来加工双凸石英片，工作时应注意：

滚筒内的磨料与石英片的比例、填充量、滚筒的滚动速度以及石英片、磨料的干燥，这些方面在工艺上讲的很仔细，希望特别引起注意。

7、石英片的腐蚀：

石英片经过粗、中、细研磨之后，不论最终磨料是怎样细，晶片表面总有一层磨

料和石英微粒构成的破坏层，如果不清除破坏层，它们就在谐振过程中逐渐脱落，使频率发生偏移，同时，也降低电极膜的牢固度，另外，破坏层还能使晶片表面产生应力驰豫效应，使石英谐振器的老化率增大。

所以，腐蚀的作用和目的就是去掉破坏层，消除应力，减小老化。

石英晶体在氢氟酸中：

SiO2+4HF=SiF4+2H2O

3SiF4+3H2O=H2SiO3+2H2SiF6

在氢氟酸和氟化铵混合溶液中：

SiO2+4HF+2NH4F=（NH4）2SiF6+2H2O

①腐蚀步骤：

洗净石英片按频率分组→装腐蚀架（篮）→腐蚀→频率监控→中和→水洗→烘干→频率检查

②腐蚀量：

AT晶片的腐蚀量根据研磨的最终研磨砂料度和频率（厚度）来决定。

一般是1μ~3.5μ。

③影响腐蚀质量的有关因素：

a、腐蚀液的浓度：

直接影响石英片的腐蚀速度，浓度太高，腐蚀速度太快，石

英片表面粗糙，使晶片等效电阻增大，浓度太低，腐蚀速度慢，效率低。

b、腐蚀时间：

对一片石英片来讲，在腐蚀过程中其腐蚀速度是越来越慢的，这

是因为由于表面的研磨，使其结构松散的缘故，最佳的腐蚀时间是去掉破坏

层，如时间过长，就会破坏完善的结构，结果是反而不好。

8、镀基膜：

在真空状态下在晶片表面蒸发镀膜要求形状的金属电极，以便于在晶片上

施加电场和调频。

①常用电极材料：

②真空镀膜原理：

真空镀膜技术制造石英振子电极膜的原理是：

在真空中加热金属式稳定的

化合物，当它们蒸气压达10-2mmHg时，（1mmHg=133.3224Pa），这些金属或氧

化物就会被蒸发，由于真空中气体分子很少，蒸发的金属分子便以很大的能量

直线向空间飞溅，就在石英晶片表面沉积在一层薄薄的金属膜，如果蒸发前