石英晶體器件概述：從原料到振蕩器

石英晶體器件概述：從原料到振蕩器
石英晶體器件的使用是如何開(kāi)始的？早在1880年居里兄弟（Pierre and Jacques Paul Currie）發(fā)現(xiàn)了石英晶體的壓電效應(yīng)。在1917年，P. Langevin教授使用一些X切的石英晶片來(lái)產(chǎn)生并探測(cè)水中的聲波。他的目的是為了提供一種探測(cè)潛艇的方法，并且他的研究引導(dǎo)了聲納的發(fā)展。今天，這種技術(shù)仍然被用于超聲波成像。
1923年，哈佛大學(xué)的G. W. Pierce證明，帶一組電極的石英晶片能夠被用來(lái)控制振蕩器電路和單極電子管的頻率。因此，相比于其他類型的振蕩電路而言，皮爾斯振蕩電路被用于更多的振蕩器中。在20世紀(jì)20年代和30年代，主要應(yīng)用在業(yè)余無(wú)線電裝置。
Galvin Mfg公司（今天的Motolola公司的前身）的Dan Nobel通過(guò)大量的工作來(lái)證明晶體控制是影響雙路無(wú)線電通信的基礎(chǔ)。最初應(yīng)用于警用無(wú)線電通信。隨后，在1939年，晶體控制器被大規(guī)模的用于美國(guó)軍隊(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)中。在1943年期間，為了支持二次大戰(zhàn)，大約有130制造商使用天然石英來(lái)生產(chǎn)晶體元件。
戰(zhàn)后，隨著石英晶體器件的需求急劇下降，在短短的幾個(gè)月內(nèi)，生產(chǎn)廠家減少到不到50家。朝鮮戰(zhàn)爭(zhēng)刺激了新的增長(zhǎng)，但在戰(zhàn)爭(zhēng)結(jié)束后再次下降。
由于天然的石英含有大量的雜質(zhì)，因此并不是十分適合做成電子器件。隨后人們發(fā)現(xiàn)，天然石英在高壓釜中溶解并進(jìn)行重組，就可以生產(chǎn)出純凈的石英，即人造石英。在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)市場(chǎng)猛增的今天，這個(gè)發(fā)現(xiàn)使得石英器件成為頻率控制的關(guān)鍵因素。圖1.天然的石英晶體
石英的一些優(yōu)點(diǎn)：
壓電效應(yīng)：將壓應(yīng)力施加于石英材料引起相應(yīng)的電勢(shì)（piezein在希臘語(yǔ)中表示“施加壓力” ）。相反，在石英片上下表面中形成一個(gè)電勢(shì)差能夠引起晶片振動(dòng)。通過(guò)控制材料的幾何形狀，能夠控制晶片的振動(dòng)速率或頻率。溫度系數(shù)低：在變化的溫度環(huán)境下，石英晶體特性十分穩(wěn)定。溫度系數(shù)規(guī)定為超過(guò)在工作溫度范圍僅改變百萬(wàn)分之一的單位（例如：±50ppm）。
低損耗（高Q值）：石英晶體展現(xiàn)了卓越的老化滯后現(xiàn)象。換句話來(lái)說(shuō)，隨著時(shí)間的增長(zhǎng)，產(chǎn)品仍可以穩(wěn)定工作，通常規(guī)定如：五年后為10MHz ±50ppm。
牽引度：石英晶體有一定的牽引度范圍?？梢詢H僅通過(guò)改變振蕩電路的電容負(fù)載使振蕩頻率發(fā)生變化。
自然界產(chǎn)量豐富：在地殼中最常見(jiàn)的礦物中，石英晶體位居第二，長(zhǎng)石位居第一。開(kāi)采的材料被稱為石英原礦，可以在近地殼表面找到。
能夠再生：石英晶體可以進(jìn)行人工合成。石英原礦在高壓釜中經(jīng)過(guò)加工，生長(zhǎng)成高純度和完美的石英晶體條。
重復(fù)處理技術(shù)：先進(jìn)的制造技術(shù)及嚴(yán)格的誤差控制確保極高的精度。
硬而不脆：這種材料的獨(dú)特性在于，它是如此之硬從而可以進(jìn)行加工，然而又不脆。這使得石英晶體有卓越的防沖擊及振動(dòng)能力。
從礦石到儀器
晶體的生長(zhǎng)：人造石英的生長(zhǎng)從石英原礦放入高壓釜中開(kāi)始。隨后，籽晶被吸附到裝入高壓釜中的生長(zhǎng)基上。放入堿性溶液，密封容器并且打開(kāi)電源。通過(guò)恒定的溫度控制石英原礦的溶解及籽晶的吸附。大約100到150天左右（由形成何種類型的石英晶體決定），打開(kāi)容器并且取走人造石英棒。
切角：石英棒的特定切角根據(jù)石英晶體的特性需求來(lái)決定的（圖3）。使用高精度的X光定向設(shè)備能夠確保切角的精確。將晶片分批打磨，可以制成預(yù)先設(shè)定的形狀。
精確的晶片加工：為了確保特定厚度，表面平滑，光滑度及平行度，晶片必須進(jìn)行處理。首先進(jìn)行研磨，隨后拋光，蝕刻及清洗。最后，通過(guò)氣相蒸發(fā)過(guò)程將電極粘附在晶片上。