晶體是由大量微觀物質(zhì)單位(原子,離子,分子等)按一定規(guī)則有序排列的結(jié)構(gòu),因此可以從結(jié)構(gòu)單位的大小來(lái)研究判斷排列規(guī)則和晶體形態(tài).晶體可以制造成在從幾千赫茲到幾百兆赫的很寬頻率范圍內(nèi)振蕩.許多應(yīng)用要求石英晶體振蕩器頻率方便地與其他所需頻率相關(guān),因此數(shù)百個(gè)標(biāo)準(zhǔn)晶振頻率由電子分銷商大量生產(chǎn)和儲(chǔ)存.例如,許多非電視應(yīng)用使用3.579545兆赫晶體,因?yàn)樗鼈兪菫镹TSC彩色電視接收機(jī)大量制造的.使用分頻器,倍頻器和鎖相環(huán)電路,可以從一個(gè)參考頻率獲得寬范圍的頻率.
晶體結(jié)構(gòu)和材料
振蕩器晶體最常見的材料是石英.在該技術(shù)開始時(shí),使用天然石英晶振,但是現(xiàn)在通過水熱合成生長(zhǎng)的合成晶體石英由于更高的純度,更低的成本和更方便的處理而占優(yōu)勢(shì).天然晶體的少數(shù)剩余用途之一是用于深井中的壓力傳感器.在第二次世界大戰(zhàn)期間和之后的一段時(shí)間里,天然石英被美國(guó)視為一種戰(zhàn)略材料.大晶體是從巴西進(jìn)口的.原材料"拉斯卡斯",水熱合成的原材料石英,進(jìn)口到美國(guó)或科爾曼石英在當(dāng)?shù)亻_采.1994年生長(zhǎng)的合成石英的平均值為60美元/千克.
存在兩種類型的石英晶體:左手和右手.兩者的旋光性不同,但其他物理性質(zhì)相同.如果切割角度正確,左旋和右旋晶體都可以用于振蕩器.在制造過程中,通常使用右手石英.一氧化硅四面體形成平行螺旋;螺旋線的扭轉(zhuǎn)方向決定了左手或右手的方向.螺旋沿z軸排列并合并,共享原子.螺旋的質(zhì)量形成了平行于z軸的大小通道的網(wǎng)格.大的足夠大,可以讓較小的離子和分子穿過晶體.

石英有幾個(gè)階段.在573℃和1個(gè)大氣壓下(以及在更高的溫度和壓力下),α-石英經(jīng)歷石英反轉(zhuǎn),可逆地轉(zhuǎn)變?yōu)?beta;-石英.然而,相反的過程不是完全均勻的,并且出現(xiàn)晶體孿晶.在制造和加工過程中必須小心避免相變.其他相,如高溫相鱗石英和方石英,對(duì)振蕩器并不重要.所有石英晶體振蕩器晶體都是α-石英類型.
紅外分光光度法被用作測(cè)量生長(zhǎng)晶體質(zhì)量的方法之一.通常使用波數(shù)3585,3500和3410cm-1.測(cè)量值基于羥基的吸收帶,并計(jì)算紅外Q值.電子級(jí)晶體,丙級(jí),Q值在180萬(wàn)以上;特級(jí)乙類水晶的品質(zhì)因數(shù)為220萬(wàn),特級(jí)甲類水晶的品質(zhì)因數(shù)為300萬(wàn).僅針對(duì)z區(qū)域計(jì)算Q值;含有其他區(qū)域的晶體會(huì)受到不利影響.另一個(gè)質(zhì)量指標(biāo)是蝕刻通道密度;當(dāng)晶體被蝕刻時(shí),沿著線性缺陷產(chǎn)生管狀通道.對(duì)于涉及蝕刻的處理,例如手表無(wú)源音叉晶體,低蝕刻通道密度是理想的.掃描石英的蝕刻通道密度約為10-100,未掃描石英的蝕刻通道密度明顯更高.蝕刻通道和蝕刻坑的存在降低了諧振器的品質(zhì),并引入非線性.
石英晶體可以為特定目的生長(zhǎng).
用于自動(dòng)切割的晶體是振蕩器材料大規(guī)模生產(chǎn)中最常見的;形狀和尺寸被優(yōu)化以獲得所需晶片的高產(chǎn)量.生長(zhǎng)高純度石英晶體時(shí),鋁,堿金屬和其他雜質(zhì)含量特別低,缺陷最小;少量堿金屬增加了對(duì)電離輻射的抵抗力.用于切割音叉32.768KHZ晶體的手表晶體以非常低的蝕刻通道密度生長(zhǎng).聲表面波器件的晶體生長(zhǎng)成扁平狀,具有大的,低蝕刻通道密度的X尺寸籽晶.

用于高度穩(wěn)定振蕩器的特殊高品質(zhì)晶體以恒定的低速生長(zhǎng),并且沿整個(gè)Z軸具有恒定的低紅外吸收.晶體可以生長(zhǎng)為Y-棒,籽晶為棒形并沿Y軸伸長(zhǎng),或者生長(zhǎng)為Z-板,由具有Y軸方向長(zhǎng)度和X軸寬度的板籽晶生長(zhǎng)而成.籽晶周圍的區(qū)域含有大量晶體缺陷,不應(yīng)用于晶片.
晶振各向異性生長(zhǎng);沿Z軸的增長(zhǎng)速度是沿X軸的3倍.生長(zhǎng)方向和速率也影響雜質(zhì)的吸收速率.Y-棒晶體或具有長(zhǎng)Y軸的Z-板晶體有四個(gè)生長(zhǎng)區(qū)域,通常稱為+X,X,Z和生長(zhǎng)過程中雜質(zhì)的分布不均勻;不同的生長(zhǎng)區(qū)域含有不同水平的污染物.Z區(qū)是最純的,偶爾出現(xiàn)的小的S區(qū)不太純,而+X區(qū)卻不太純,而-X區(qū)的純度最高

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