石英晶体基础知识

2023年12月22日发(作者：郭蔼明)

深圳市锐晶星电子科技有限公司

石英晶體諧振器基礎知識

培训教材

講

座 版

（共8页）

2007年7月1日

第一章 石英晶体的基本特性

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第一节石英晶体的压电特性

图1-1示出了石英晶体具有压电效应的两种现象。图1-1a当沿Y 轴加压缩力时，则在X轴正端垂直面上，出现正电荷（晶体的伸缩弯曲振动就是按此激起的）。图1-1b中当对晶体施加正切应力时，则在垂直Y轴的正端面出现正电荷（晶体的剪切振动就是按此激起的）。

+ + +

+ + +

+ + +

+ + +

图1-1 晶体加外力示意图

上述现象表明石英晶体是一种各向异性的结晶体，它具有压电效应。当沿某一机械轴或电轴施以压力或拉力，则在垂直于这些轴的两个表面上产生异号电荷±q。其值与机械压力所产生的机械形变（位移）X成正比。即：q=k 1x ﹎﹍(1-1)

式（1-1）所表征的效应称为正压电效应，正压电效应是以机械能为因，电能为果的效应。

石英晶体还具有逆压电效应。如果在石英晶体片两面之间加一电场E，则视电场的方向不同，晶体将沿电轴或机械轴延伸或压缩，延伸或压缩量X与电场强度E成正比，即：X=K2E ﹍（1-2）

式（1-2）所表征的效应称压电逆效应。是以电能为因，机械能为果的效应。

由上面的讨论可以看出，正、逆压电效应互因果关系。如果将石英晶体片置于交变电场中，则在电场的作用下，晶体片的体积将起压缩和伸张的变化，由此形成机械振动，晶体的振动属体波振动，当晶体片振动时，逆压电效应使得晶体片具有导电性，这种压电性叫做压电导电性。石英片固有的振动频率取决于晶体片的几何尺寸、密度、弹性和泛音次数。当晶体片的固有振动频率与加于其上的电场频率相同时，则晶体片将发生谐振。此时振动的幅度最大，压电效应在晶体片表面产生的电数值和压电导电性也达最大。因此，外电路中的交变电流也就最大。这是用以稳定频率的理论基础。

第二节 石英晶体在不同温度下的各种变体

在正常的压力下，石英晶体随着温度的不同共有五种不同性质的变体，即：

(1)α石英，其温度低于573℃时为稳态，就是我们通常用的压电石英晶体。

(2)β石英,对α石英加温超过573℃时,即转变为β石英,它在573℃～870℃之间为稳态,但此时没有压电效应,也不能用作压电元器件了。

（3）磷石英，当对β石英加温超过870℃，β石英变为磷石英，它在870℃～1470℃之间为稳态。

（4）方石英，当对磷石英加温超过1470℃时，磷石英变为方石英，它在1470℃～1710℃之间为稳态。

（5）石英玻璃，当对方石英加温超过1710℃时及以后即开始溶化，熔化后的石英，将温度降低也不能上述五种形态可用下式开示：

573℃ 870℃ 1470℃ 1710℃

α石英 β石英 磷石英 方石英 石英玻璃

由此看出，我们常用的α石英，其临界温度为573℃ 。若超过这一温度，它将失去压电效应，这是我们在加工过程中必须十分注意的问题。

第三节 石英晶体的物理特性

各向异性是石英晶体典型的物理特性，它具有以下物理常数。即：

⑴、密度率：2.649克/立方百米；

⑵、折射率:1.553(或1.5574),有旋光性；

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⑶、声 速:V=E/e E为杨氏系数,随方向改变有不同的取值；

⑷、热膨胀系数：平行于光轴X=77.10×10(0℃时) 垂直于光轴X=15.24×10(0℃时)；

⑸、绝缘性能:平行于光轴R=1×10欧姆.厘米 垂直于光轴R=2×10欧姆.厘米；

⑹、导热性能:没Z方向比沿垂直Z方向的导热性约大一倍；

⑺、弹性性能:其杨氏系数在各截面上是不相同。

第四节 石英晶体的化学特性

石英晶体的化学性能稳定，不受强酸的腐蚀，在一般情况下不溶解于水，不产生潮解，但石英晶体在氢氟酸和水玻璃中能够溶解，因此，在加工过程中我们常用氢氟酸（HF）作石英晶体的腐蚀剂，其化学反应式如下：

(1) Si02+6HF=SiF4+2H20+2HF=H2SiF6+2H20

(2) Si02+4HF=SiF4+2H20 3SiF4+3H20=H2Si02+2H2SiF6

上述的溶解特性对石英也是各向异性的，沿光轴方向的溶解速度比沿垂直光轴方向要快100倍；电轴方向慢，而且电轴的负端比正端腐蚀速度还要慢。

第五节 石英晶体的机械特性

石英晶体的硬度为莫氏硬度七级，有良好的机械性能，但性脆，易碎裂，加工中要特别注意。由于石英晶体的硬度较高，帮通常采用高于它的硬度的磨料来研磨和切削。常用磨料见下表：

磨料名称

碳化硼（BC）

天然金刚砂（C）

天然金刚砂（AL203）

天然白刚玉（AL203）

人造白刚玉（AL203）

人造碳化硅（SiC）

硬度

10

10

7-9

9

9

9.5～9.75

特征

绿色

效率高 寿命长

常用

破坏层大

白色

浅绿或灰色

第六节 石英晶体的缺陷

上述石英晶体的一些特性都是对无缺陷的石英晶体而言,但实际上这种理想的石英在自然界是很少见,实际见到的多数都有某种缺陷,即使是人造石英也难以做到没有缺陷,常见的缺陷有:

(1) 双晶:即两个以上的晶体按一定的取向而生长的现象,其中两光轴平行共生的有道芬双晶,巴西双晶;而两光轴成一定的角度而共生的有日本双晶等.

(2) 兰针:在晶体中呈现兰色的针状物,(当光线通过晶体除兰色光外,其余的光线被吸收),称兰针.

(3) 节瘤:在晶体中出现彼此大致平行的晶块,好似小晶体块嵌在大晶块之中,称节瘤.

(4) 包裹体:在晶体中呈现不均一的裹物,常见的包裹体有固体、液体、气体三种，这些物体在晶体中破坏了晶体的均一性。

(5) 裂隙：在晶体中看似缝隙的痕物现象，称裂隙，有开口裂隙和闭口裂隙两种情况，在制造石英谐振器时是不允许有裂隙存在。

(6) 幻境：晶体生长过程中多次中断的痕迹，但它并不破坏晶格的完整性，若无其它毛病，这种晶体还是可以利用的。

上述缺陷均应在选料和加工的过程中，通过检查及时发现和处理。

第七节 AT切石英谐振器的特点

AT 切石英谐振器属于厚度切变的理论、机电特性、规格设计、制造工艺、应用条件等已完善，成为当今压电技术领域中应用最广泛的一种切型。

一、AT切同其它切型相比，它具有以下特点：

1、在很宽的温度范围内（-55～+125℃）具有良好的频率温度特性，因此无需进行温度补偿，就能满足许多 3

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应用领域的频率稳定度。比如，一般通信（讯）系统，家用电器、计算机、通用仪表等领域。

2、Q值高，目前高稳定晶体振荡器用的高精密石英晶体大多采用AT切制成的高稳定振荡器其老化率可达±5×10。

3、 石英晶片体积小，便于小型化，片式化。

4、频率覆盖范围宽，从0.5M～350MHZ可稳定地工作。

5、设计和工艺制造比较成熟，适合于大量生产。

6、不可广泛用于稳频，而且可广泛用于选频，比如10.7MHZ21.4MHZ70MHZ单片晶体滤器.

二、AT切频率温度特性

所谓频率温度特性，即石英谐振器的频率依赖于温度的变化关系，通常AT切频率温度特性曲线可用如下公式表示：△F/FA=（T-T0）+A2（T-T0）²+A3(T-T0)³+…

式中: △F/FA—频率随温度的相对变化率 T—任意温度(℃)

A1A2A3—系数值,它与石英片切角,几何外形、振动形式、泛音次数等有关。

在实际工作中，AT切频率温度特性曲线，通常称为三次曲线。

三、AT切厚度t 的计算。

公式=1660N/F 式中N—泛音次数 f—标称频率（KHZ） 1660—频率常数

第八节 BT切石英晶体的特性

BT切型是早期发展的高频切型之一，后来由于AT切型的优点显著，它就几乎被AT切型所取代。近几年来对BT切型的进行研究发现它的Q值比AT切型高一倍以上，此外它还有短稳好、频率常数大、加工较易等优点。因此在现代电子玩具，儿童游戏机中广泛地采用BT切石英晶体做为频率源。

BT切频率温度特性为一抛物线。它的频率温度物性议程来：△F/F0=ABO（T-T0）²

1、 式中参考温度T0与零温度系数点（即抛物线预点）重合

△F/F0—频率随温度的相对变化率 T—任意温度 BO—系数点

2、BT切的厚度计算公式为：T=2560N/F 式中：kf频率常数 f—频称频率

第一章 石英谐振器主要名词、术语、定义

1、石英谐振器是一种用于稳定频率和选择频率的重要电子元件。在有线通信、元线通信、广播电视、卫星通讯、军用和民用产品中得到了广泛的使用。以它具有的高度精确和高度稳定的特点，充分显示了它在现代高技术的迅速发展中的作用和地位。

2、晶体谐振器的等效电路

3、石英谐振器的主要性能指标有：标称频率、调整频差、温度频差（或总频差），负载谐振电阻、机械性能等。

4、晶体的频率：由于晶体在电路的应用中其电气特性表现较复杂，与其相关的指标频率也有多个，主要的是：

①、标称频率（FO）：技术条件中所指定的频率，也即用户在电路设计和元件选购时所希望的理想工作频率。

②、串联谐振频率（Fr）：指在规定条件下，晶体元件电气阻抗为电阻性的两个频率中较低的一个频率。根据图1的等效电路，当不考虑C0的作用，Fr由C1和L1决定，近似等于所谓串联（支路）谐振频率

③、负载谐振频率（FL）：在规定条件下，石英揩振器和负载电容串联后所产生的谐振频率。

④、工作频率：在给定电路上和规定条件下石英谐振器工作所产生的实际频率。

5、负载电容（CL）：从石英揩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谐振器的负载电容，负载电容常用的标准值有12、16、20、30、50PF。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的调整。负载电容太大时，杂散电容影响减小，但微调频率下降、负载电容小时、微调率增加，但杂散电容影响增加，负载谐振电阻增 4

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加，甚至起振困难，负载电容标为∞即为串联谐振。

6、激励电平（DL）：为石英谐振器工作时消耗的有效功率。其常用的标准有0.1、0.5、1、2、1mw,产品说明书中每种产品规定的激励电平值是一个测试条件，也是一个使用条件，实际使用时，激励电平可以适当调整，激励强，容易起振，但频率老化加大。激励太强甚至使石英片破碎，降低激励，频率老化可以改善，但激励太弱时频率瞬稳变差，甚到不起振。

7、AT切型的基频与泛音：AT切石英片的基频是指晶片振动的基波。由于工艺限制，最高在50MHZ以下，电气谐波与基频是整数倍关系，两者同时存在，AT切石英片泛音是指晶片振动的机械谐波。近以为晶片基频的奇数倍。晶片泛音频率必须工作在相应的电路上才能获得。我国晶体产品基频单位用KHZ，泛音频率用MHZ。

8、基准温度：测量石英谐振器参数时指定的环境温度。恒温型石英揩振器一般为拐点温度范围的中心值。非恒温型石英谐振器为25±2℃。

9、晶体的频差：在规定条件下，基准温度的工作频率相对于标称频率的最大偏离值。频差有以下几个：

①、调整频差：在规定条件下，基准温度的工作频率相对于标称频率的最大偏离值，计算公式为：△F/F0MAX=（F1-F0）/FO（F1为基准温度下的工作频率，F0为标称频率）。

②、温度频差：在规定条件下，工作在温度范围内谐振器的工作频率相对于标称频率的最大偏离值，计算公式为：△F/F0MAX=（F2-F0）/FO（F2为工作温度范围内的最大工作频率，F1为基准温度下的工作频率）。

10、晶体的电阻

①负载谐振电阻：在规定条件下，石英揩振器和负载电容串联后在谐振频率时的电阻。

②谐振电阻：在规定条件下，石英谐振器不串负载电容在谐振频率时的是阻。

11、静态电容C0：CO主要是石英片上电极间的电容和支架电容。支架电容较小，通常为0.5PF。

C0=ε¹T A式中ε¹22与--Y¹方向有关的介电常数,A—电极面积,T—晶片厚度。

12、动态电容C1：C1=KcA/TA² Kc-电容系数 N-泛音次数。

13、动态电感L1:L1=KlT³/A KL—电感系数。

14、激励电平相关性(DLD)：IEC1178中规定，在高、低两激励电平检测晶体元件谐振电阻的非线性。在额定激励电平下具有相同电阻的晶体元件，在十分低的激励电平下其电阻值就可能相差很大。低激励电平下相差很大的电阻值说明阻尼力的非线性是离散的。通过DLD试验测量高、低两激励电平时，谐振电阻的非线性变化，可以严格地检验工艺水平。其试验条件是晶体元件工作后至少贮存5天，先在不大于50uA,再在不小于1000uA条件下测出两个谐振电阻。Rr1/Rr2不应超过规定值。

15、品质因数Q:Q=ωL1/R1=1/ωc1L1 Q值是反映晶体性能好坏的一个重要参数,在一定程度上讲,当其他条件相同时,Q值愈高晶振的频率稳定度愈高。

16、频率可调性：定义为（FL-FS）/FS（FL为加规定负载电容的谐振频率，FS为串联谐振频率）。

17、老化（老化率）：晶体谐振频率随时间的变化称为“老化率”。

18、石英谐振器的应用：主要应注意其负载电容及激励电平。对泛音晶体在电路上要采措施，将其不需要的泛音振荡频率抑制。

第二章 部分石英晶体在电子工业中的

应用及分类

由于压电石英晶体具有极其稳定的物理，化学性能用它制成的产品作为各种优质的选择稳频，传能装置设备被广泛地运用于电子工业的各个方面，成为电子产品发展不可缺少的重要之器件，在国民经济各个领域发挥着越来越重要的作用，使之成为开发前景看好，经久不衰的产产品，在电子领域的问世起就被用于军事目的，第一次，第二次世界大战推动了石英晶体产业的飞速发展，可以说是战争把石英晶体产品的应用送到了前沿陈地。由于军用的以美、英等国为首的许多男家都投入了大量的人力、物力、财力对石英晶体的基础理论、性能特点、设计技术、生产工艺、应用领域等各个方面都进行了广泛的深入的研究，取得了许多突出的成绩，在战争中发挥了意想不到的效果，其应用也随之迅猛扩大，从有线无线通讯、微波接力通讯、卫星 5

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通讯，散射通讯、移动通讯、电子对抗、电子干扰、运载火箭到各种导弹，各种雷达及导航通讯、火控系统，遥控遥测遥感、军用计算机……其应用几乎深入到所有重要的军事系统，使“石英晶体”一度成为“战略物资”。进入六七十年代以后由于以彩电为主代表的家电产品和计算机领域大量使用石英晶体产品数量大大超过“军用”而进入了以“民用”展。同样，由于电子工业特别是高科技产业的发展，将IC技术、光刻技术、微电子技术等引入石英晶体产品的生产加工工艺，又大大地促进了石英晶体产品向小型化，微型化、SMT化、功能化、高稳定、高频段、高精度、高可靠、低老化、低功率方向发展。

今天，石英晶体产品已经使我们工作生产更有效，家庭生活更舒服的革命中担任了主要支柱的角色。

一、 石英晶体具有以下几方面的应用

1-1、目前主要应用在以下几个方面：

①、有线通信设备、载波通信、程控交换机、各种电话机、光通信机等；

②、各种广播设备；

③、无线电通信设备（如：对讲机、手机、寻呼机、数据通信、通信传输终端、卫星通信、汽车电子、微波通信、移动通信、军用电台、雷达、航空航天工业等）；

④、各种计算机和网络系统（板卡、网卡、网络产品、调制解调器、显示器、PC机、微处理机等）、U盘、传真机、复印机、计算机应用机器、工业机器人、各种机械电子设备、各种医疗设备；

⑤、各种计测仪器仪表；

⑥、各种消费类电子设备和家用电器（如: 彩电、无线话筒、VCD、DVD、EVD、MP3、CD机、录音笔、监视器、音响、家庭影院、照相机、空调、自动洗衣机、手表、时钟、定时器等）；

⑦、各种无线电玩具（如：遥控飞机、遥控车等）、电子游戏机等。

1-2、正在和将来应用的几个方面：

①、新一代有线通信和无线通信设备（如:宽频交换机网络产品、IP电话、SDH光通信、第三代数字移动电话和通信设备等）；

②、新一代计算机、PC机、微处理机、显示器、传真机、打印机等；

③、新一代电子信息应用类产品、各种IC卡和智能卡等；

④、各种检测设备和办公自动化设备；

⑤、新一代家用电器（如:智能空调、智能冰箱、智能洗衣机、数字彩电、机顶盒等）数码照相机、数码摄像机、数码录音笔、微型摄像器材；

⑥、新一代军事和航天航空工业；

⑦、数字技术、光通信、生物工程等新技术的发展对石英晶体元器件有了新的需求；

⑧特别是目前正在蓬勃发展的机顶盒将逐渐以中档以上石英晶体元器件取代VCXO。

从以上几个方面可以看出石英晶体元器件具有异常广阔的前景。

应用领域分类

1、 在雷达、导航、测控系统中的应用。

2、 在通讯中的应用、有线和无线（移动）、微波等通讯领域。

3、 在计算机领域的应用。

4、 在家电方面的应用，如：彩电及摇控器、磁带录像机、摄像机、音响、CD盘、电子钟与电子表。

5、 在电子仪器中的应用，如：频率计数器、超声波应用装置、汽车电子装置。

6、 在传感器领域的应用，如：微量天平、电子称、重力计、压力计、温湿度计、加速度计、浓度计等。

7、 光学方面的应用，如：大小棱镜、滤光片、光低通滤波器。

二、石英晶体的盒型、封装种类及应用分类。

1、盒型：HC-49/U、HC-49U/S、HC-49/T、HC-50/U、SMD、UM型系列、TO等。

2、封装种类：电阻封焊、冷压焊、冷挤压、火焰法、高频感应封装等。

3、石英晶体的应用分类

① 稳定的频率产生功能：有石英晶体谐振器、振荡器和传感器等。

② 稳定的频率选择功能：有石英晶体谐振器、晶体滤波器和晶体鉴定器等。

③ 稳定的频率传播功能：如晶体延迟线。

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④ 稳定的偏振光、双折射旋光功能：如光学元件和光学仪器等。

第四章 石英晶片的加工

石英晶体谐振器的设计加工要达到客户要求的指标，必须有一定的工艺条件来保证。石英晶体谐振器的制造工艺流程方框图如下：

腐蚀清洗 石英原料 定向划线 切割 研磨抛光 被银 上片点胶

第一节 石英晶体的选料和磨面

第二节 石英晶体的切型

第三节 石英晶体的定向和划线

第四节 石英晶体的切割

第五节 石英晶片的测角计算和切角误差的校正

第六节 石英晶片的研磨和抛光

第七节 石英晶片的倒边和腐蚀

测角 测绝缘 压漏 压封 微调

老化 检测 印字 包装 出厂

第五章 石英谐振器的成品加工

第一节 石英晶片的清洗

通常石英晶片经过研磨腐蚀后，表面沾附着多种有机或无机的污物，这些脏物的存在阻碍基至破坏了石英振子的正常振动，加此要进行严格的清洗。

（2） 待被电极石英晶片的清洗

经过文化馆分频后的晶片要严格清洗，烘干后进行电极镀膜。我们用的是电子清洗液的方法，具体可看《清洗工序作业指导书》

（3） 返修片的清洗

返修片常常带有金属电极，银点和导电胶等附着物清洗时首先要去除金属和胶。对于银可能酸来消除导电胶用硝酸来消除。

（4） 水洗（自来水和去离子水）

水洗是石英晶片清洗工艺中的一个重要环节，只有通过水的反复冲洗，才能把酸、碱洗后的残留物及 7

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酸、碱根洗净。

（5） 意事项“清洗干净的石英晶片不要长时间暴露在空气中。因为空气中的尘埃和各种有害气体会造成石英晶片的再污染。实验指出。若将洗净的石英晶片放在普通的房间中暴露48小时，晶片表面碳元素的量就会明显增加。

第二节 石英晶片的被电极

1、 被电极就是在石英晶片的两个面上，蒸镀上金属膜。目的是便于施加电场和调整频率。

2、 极所用的金属材料有金、银、铝等。其中金的物理、化学性能稳定、纯度高、初始老化时间长期老化特性也好，银的物理、化学性能比金稍差。铝的电极质地轻，且铝易氧化，可形成一层自然保护膜，性能稳定，附差力好，但机械负载力小。

3、被电极的方法有：阴极溅射法和真空蒸镀法等。其中真空蒸镀法为最好，所用设备是真空镀膜机，具体操作见《镀膜机操作规范》。怎样被电极请见《镀膜工序作业指导书》。

第三节 上架、点胶、烤胶

1、 上架是把被好电极合格的石英晶片用支架装好，即固定石英晶片边缘并引出电极，组成石英谐振子。上架是利用石英晶片边缘振动相对静止的道理。HC—49/U、49/S上架方式是不相同的还有支架不同也不尽相同。

2、 点胶是将被好晶片电极与支架相连。为的是加强牢固度和导电能力，并引出谐振频率。点胶要注意质量就是胶要少且牢固，以不脱胶为标准。否则会使谐振电阻增大和脱胶，甚至不振等。

3、 烤胶就是点导电胶后把导电胶烤干使之牢固。

第四节 微调

通过镀膜让谐振子的频率达到规格书中的要求是困难的，只有采用适当方法来调整它的频率，让它达到所要求的准确频率。由于AT切、BT切是厚度切变振动，主要由厚度决定其频率，因而采用阳极氧化法和真空向调法等方法改变石英振子的厚度，使其达到规格书中要求的准确频率。一般常用的是真空微调法。所用设备是真空镀膜微高机具体操作请见《微调机操作规范》。怎样微调请见《微调工序作业指导书》。

第五节 封装

就是将已微调好的石英振子装入外壳，并根据技术要求进行封装腔作势。外壳的作用是，保护石英揩振子不受外界的影响，如避免潮气及其它有害气体和尘土对它的腐蚀和污染等。封装质量（主要是密封程度）对石英谐振器的频率动态电阻和频率老化等影响很大。目前在精度石英谐振器采用密封性能很好的玻壳封装，一般石英谐振器常用金属壳封装。金属壳石英晶密封的方法有锡焊密封，电阻焊密封等几种。下面介绍电阻焊封装。

电阻焊也叫贮能焊。它利用电容器的充放电特性进行封接。已充电的电容在极度短的瞬间内放电。被接入放电电路中的焊件在焊接外通过强大的电流。形成一个巨大的脉冲热能，完成焊接。在焊接过程中草药，可以充保护气体提高产品性能、质量。焊接后的石英晶体应进行检漏，检查密封性能。这种烛接方法只在局部，瞬间加热不会影响内部的石英振子，设备简单、效率高、成本低，适合于大批量生产。由于密封性能好，老化率优于5PPM。它是当前应用较广泛的一种封装形式。

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