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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）resolution 秒的量级；
2、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，原因是L、C、R的参数值随温度有变化
3、。,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形成电信号：压电效应价格低廉、性能稳定等一系列优良品质！,
4、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
5、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
6、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
7、；,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
8、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，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
9、。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
10、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
11、，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14m
12、m ，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、
13、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。,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
14、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
15、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+
16、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,
