浙江蓝晶芯微电子有限公司

ZHEJIANG LUCKI CM ELECTRONICS CO.,LTD

一、石英晶体与频率控制组件

石英是由硅原子和氧原子组合而成的二氧化硅(Silicon Dioxide,SiO2),以32点群的六方晶系形成的单结晶结构〔图一).单结晶的石英晶体结构具有压电效应特性当施加压力在晶体某些方向时，垂直施力的方向就会产生电气电位.相对的当以一个电场施加在石英晶体某些轴向时，在另一些方向就会产生变形或振动现象.掌握单结晶石英材料的这种压电效应，利用其发生共振频率的特性，发挥其精确程度作为各类型频率信号的参考基准，就是水晶震荡器的设计与应用.因为石英晶体具有很高的材料Q值，所以绝大部份的频率控制组件，如共振子及振荡器，都以石英材料为基础.以石英为基础的频率控制组件可以依其压电振动的属性，可以分为体波(bulk wav)振动组件及表面声波(surface acoustic wave)振动组件.体波振动组件如石英晶体共振子，石英晶体滤波器及石英晶体振荡器，表面波振动组件如表面波滤波器及表面波共振子.当石英晶体以特定的切割方式，以机械加工方式予以表面研磨，完成特定的外型尺寸就是通称的石英芯片(quartz wafer或quartz blank).将这个石英芯片放置在真空还境中，于表面镀上电极后，再以导电材料固定在金属或是陶瓷基座上，并加以封装，就成为一般所谓的石英晶体共振子(quartz crystal resonator).利用石英共振子在共振时的低阻抗特性及波的重迭特性，用邻近的双电极，可以做出石英晶体滤波器.将石英振荡子加上不同的电子振荡线路，可以做成不同特性的石英振荡器.例如：石英频率振荡器(CXO),电压控制石英晶体振荡器Voltage Controlled Crystal Oscillator,,VCXO),温度补偿石英晶体振荡器(Temperature Compensated CrystalOscillator,,TCXO),恒温槽控制石英晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillator,OCXO).等.相对于体波谐振的是表面声波的谐振.将石英晶体表面镀以叉状电极(inter--digital--transducer,,IDT)方式所产生的表面振荡波，可以制造出短波长（高频率）谐振的表面声波共振子(SAW Resonator))或表面声波滤波器(SAW Filter)。

二、石英晶体的压电特性

石英材料中的二氧化硅分子(SiO2) 在正常状态下, 其电偶极是互相平衡的电中性. 在(图二左)的二氧化硅是以二维空间的简化图形. 当我们在硅原子上方及氧原子下方分别给予正电场及负电场时, 空间系统为了维持电位平衡, 两个氧原子会相互排斥, 在氧原子下方形成一个感应正电场区域, 同时在硅原子上方产生感应负电场区域. 相反的情况, 当我们在硅原子上方及氧原子下方分别给予负电场及正电场时, 两个氧原子会相互靠近, 氧原子下方产生感应负电场,硅原子上方产生感应正电场. (图二). 然而, 氧原子的水平位置变化时, 邻近的另一个氧原子会相对的产生排斥或吸引的力量, 迫使氧原子回到原来的空间位置. 因此, 电场的力量与原子之间的力量会相互牵动, 电场的改变与水平方向的形变是形成交互作用状态. 这个交互作用会形成一个在石英材料耗能最小的振动状态, 祇要由电场持续给与能量, 石英材料就会与电场之间维持一个共振的频率. 这个压电效应下氧原子的振幅与电场强度及电场对二氧化硅的向量角度有相对应的关系.在实际的应用上, 电场是由镀在石英芯片上的金属电极产生, 电场与二氧化硅的向量角度则是由石英晶棒的切割角度来决定.

三、石英的切割角度

依据不同的应用领域及工作温度需求，因应了许多不同的石英切割角度种类.例如AT-,BT-,CT-,DT-,NT,GT.等不同的切割板片.不同的切割方向的板片具有不同的弹性常数张量(elastic constant tensor),不同的压电常数张量(piezoelectric constant tensor)及不同的介电常数张量(dielectric constant tensor).这些张量在石英组件的设计及应用上展现了不同的振荡及温度特性.（图三）表现了在Z-plt石英结构上，几种不同方向的石英板片切割方