石英晶體的基本知識
1-1石英晶體的結(jié)晶形態(tài)和坐標(biāo)系
固體可以分為結(jié)晶體(晶體)與非結(jié)晶體(非晶體)兩大類。晶體中有外形高度對稱的單晶體(如石英晶振)和由許多微細(xì)晶體組成的多晶體(如各種金屬)。晶體的主要特性是原子和分子的有規(guī)則排列,這種排列反映在宏觀上是外形的對稱性,而非晶體就不具備這種特性,例如石英玻璃,它的成份與石英晶體一樣是SiO2,但不屬于晶體。
晶振可以是天然的,也可以由人工培養(yǎng)。晶態(tài)物質(zhì)在適當(dāng)條件下,能自發(fā)地發(fā)展成為一個(gè)凸多面體形的單晶體。圍成這樣一個(gè)多面體的面稱為晶面;晶面的交線稱為晶棱;晶棱的會集點(diǎn)稱為頂點(diǎn)。發(fā)育良好的單晶體,外形上最顯著的特征是晶面有規(guī)則的配置,屬于同一品種的晶體,兩個(gè)對應(yīng)晶面(或晶棱)間的夾角恒定不變。圖1.1.1給出了理想石英晶體的外形。石英晶體的晶面共30個(gè),分為五組,六個(gè)m面(柱面),六個(gè)R面(大棱面),六個(gè)r面(小棱面)六個(gè)s面(三方雙錐面),六個(gè)x面(三方偏方面),相鄰m面的夾角為60°相鄰m面和R面的夾角與相鄰m面和r面的夾角都等于38°13,相鄰s面與x面的夾角等于25°57。由于外界條件能使某一個(gè)或某一組晶面相對地變小或完全隱沒,所以實(shí)際見到的石英晶體很少如圖1.1.1所示,就是人造石英晶體的外形也只是接近理想情況。

(a)右旋石英晶體 (b)左旋石英晶體
圖1.1.1石英晶體的理想外形
晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的規(guī)律性,造成了它在外形上的對稱性。例如:晶體可以有對稱軸、對稱中心、對稱面等對稱元素。石英晶體存在一個(gè)三次對稱軸(或三次軸即晶體繞該軸旋360°3后能夠復(fù)原)和三個(gè)互成120°的二次軸,如圖1.1.2中的a、b、d軸

圖1.1.2石英晶體的對稱軸和直角坐標(biāo)系
在結(jié)晶學(xué)中,石英晶體諧振器內(nèi)部結(jié)構(gòu)可以概括為是由一些“點(diǎn)子”在空間有規(guī)則地作周期的無限分布:“點(diǎn)子”代表原子、離子、分子或其集團(tuán)的重心。這些“點(diǎn)子”的總體稱為點(diǎn)陣,構(gòu)成石英晶體的是二氧化硅分子,而二氧化硅分子的重心又正好與硅離子重合,因此硅離子的點(diǎn)陣就可以反映出石英晶體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。石英晶體的各層硅離子若按右手螺旋規(guī)則分布,則稱為右旋石英晶體;若按左手螺旋規(guī)則分布,稱為左旋石英晶體。從外形上看,右旋石英晶體的s面在R面的右下方或m面的左上方,左旋石英晶體的s面在R面的左下方或m面的右上方(見圖1.1.1),它們互為鏡象對稱。
晶體物理性質(zhì)的各向異性和晶體外形的對稱性有關(guān),因此討論石英晶體的物理性質(zhì)時(shí),采用為圖1.1.2所示的直角坐標(biāo)系較為方便。選c軸為z軸,a(或b、d)軸為x軸,與x軸、z軸垂直的軸為y軸。其指向按1949年IRE標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對左、右旋石英晶體均采用右手直角坐標(biāo)系。
石英晶體俗稱水晶,是貼片晶振、有源晶振、溫補(bǔ)晶振等產(chǎn)品俗稱“水晶”成份是SiO2,它不但是較好的光學(xué)材料,而且是重要的壓電材料。在常壓下不同溫度時(shí),石英晶體的結(jié)構(gòu)是不同的。溫度低于573℃時(shí),是a石英晶體;溫度在573℃~870℃時(shí),是B石英晶體;溫度在870℃~1470℃時(shí),是磷石英,溫度達(dá)1470℃時(shí),就轉(zhuǎn)變成方石英,它的熔點(diǎn)是1750℃。用于制造壓電晶體元件的為a石英晶體

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