Fortiming培養(yǎng)石英的基本過程

1.介紹

石英是一種壓電材料。當(dāng)電壓施加到兩個(gè)電極上時(shí)，一個(gè)薄的石英晶片就會(huì)機(jī)械振動(dòng)，該石英晶片的相對(duì)表面上附著有電極。振動(dòng)頻率主要是晶片尺寸的函數(shù)。當(dāng)適當(dāng)?shù)匕惭b有電極時(shí)，晶片被稱為石英晶體諧振器，長(zhǎng)期以來被用于控制無線電發(fā)射機(jī)的頻率，并且它已經(jīng)成為電信通信設(shè)備中的基本組件，在電信通信設(shè)備中，其壓電特性被用于濾波器、振蕩器和其他設(shè)備?，F(xiàn)在，石英晶體為微處理器、計(jì)算機(jī)、可編程控制器、手表和各種DSP等其他數(shù)字設(shè)備提供時(shí)間和坐標(biāo)信號(hào)。

石英是二氧化硅（SiO2).這是一種硬而脆的透明材料，密度為2649千克/米3熔點(diǎn)為1750°C.石英不溶于普通酸，但溶于氫氟酸和熱堿。當(dāng)石英被加熱到573度時(shí)°c，它的結(jié)晶形態(tài)發(fā)生變化。高于此轉(zhuǎn)變溫度的穩(wěn)定形式被稱為高石英或β石英，而低于573的穩(wěn)定形式°碳被稱為低石英或α石英。對(duì)于諧振器應(yīng)用，只有α-石英是感興趣的，除非另有說明，術(shù)語石英在續(xù)集中總是指α-石英。石英是一種豐富的天然材料，但要將優(yōu)質(zhì)天然石英與劣質(zhì)天然石英分開需要大量的勞動(dòng)。盡管硅（主要以二氧化物的形式存在，通常為小石英晶體）約占地殼的三分之一，但主要在巴西發(fā)現(xiàn)了大小和質(zhì)量適合用于利用其壓電特性的設(shè)備的天然石英。天然石英的加工成本也很高，因?yàn)樗男螤詈痛笮∈请S機(jī)的。此外，一些劣質(zhì)石英僅在部分加工后才被發(fā)現(xiàn)。并且天然石英中普遍存在的雜質(zhì)通常使得切割小晶片不切實(shí)際。1936年，美國陸軍通信兵與賈菲、黑爾和索耶博士領(lǐng)導(dǎo)的布魯什實(shí)驗(yàn)室簽訂了一份合同，這是培養(yǎng)石英發(fā)展的第一個(gè)重大進(jìn)展。這是由于具有良好壓電質(zhì)量的天然石英稀缺，通常從巴西購買。

如今，石英被人工種植到特定的尺寸。晶體取向受到控制，并且純度一致地高。標(biāo)準(zhǔn)尺寸降低了切割晶片的成本，雜質(zhì)分布廣泛，使得需要低驅(qū)動(dòng)功率的小型諧振器成為可能。

2.培養(yǎng)石英的基本過程

培養(yǎng)的石英生長(zhǎng)在一個(gè)稱為高壓釜的大型壓力容器中（見下圖）。高壓釜是一端封閉的金屬圓筒，能夠承受每平方英寸30，000磅的壓力，內(nèi)部溫度為700至800度°F.它通常高12至20英尺，直徑2至3英尺。

被稱為“lascas或nutrient”的純無表面石英小碎片（大小為1至1.5英寸）被放置在金屬絲網(wǎng)籃中并放入容器的下半部分。一個(gè)帶有預(yù)先安排好的孔的鋼板，稱為“擋板”，設(shè)置在籃子的頂部。擋板用于分隔生長(zhǎng)（種子）區(qū)和營養(yǎng)區(qū)，并有助于在兩個(gè)區(qū)域之間建立溫差。被稱為“籽晶”的適當(dāng)取向的單晶板（天然的或培養(yǎng)的）被安裝在架子上，并懸掛在容器上半部擋板的頂部。然后用堿性水溶液（碳酸鈉或氫氧化鈉）填充高壓釜至其自由體積的約80%，以允許未來的液體膨脹，并用高壓封蓋密封。然后通過一系列連接在圓筒外周的電阻加熱器將高壓釜加熱到工作溫度。隨著溫度的升高，高壓釜內(nèi)的壓力開始增加。700到800的溫度°f在容器的下半部達(dá)到，而上半部保持在70至80°比下半部分更冷。

在操作壓力和溫度下，lascas溶解在容器下半部的加熱溶液中，然后上升。當(dāng)溶液達(dá)到容器上部較低的溫度時(shí)，溶液變得過飽和，導(dǎo)致lascas中溶解的石英在晶種上重新結(jié)晶。然后，冷卻的廢液返回到容器的下半部分，重復(fù)循環(huán)，直到lascas耗盡，培養(yǎng)的石英石達(dá)到所需尺寸。這種所謂的“水熱加工”時(shí)間從25天到365天不等，取決于所需的寶石尺寸、性質(zhì)和加工類型——氫氧化鈉或碳酸鈉。

3.石英晶體的對(duì)稱性、孿晶和尺寸

α-石英屬于晶體學(xué)類別32，它是一種六棱柱，每端有六個(gè)帽面。棱鏡面被指定為m面，帽面被指定為R面和R面。R面通常被稱為主菱形面，R面是次菱形面。左旋和右旋晶體都是自然產(chǎn)生的，可以通過S面和X面的位置來區(qū)分。

如上面的示意圖所示，α-石英晶體具有三重對(duì)稱的單軸（三角軸），并且具有垂直于該三角軸的三個(gè)二重對(duì)稱軸（雙角軸）。雙角軸間隔120度，是極軸，也就是說，可以給它們一個(gè)明確的定義。極軸的存在意味著缺乏中心對(duì)稱性，是壓電效應(yīng)存在的必要條件。雙晶軸也稱為石英的電軸（x軸、y軸）。在具有完全發(fā)育的自然面的晶體中，每個(gè)極軸的兩端可以通過S面和X面的存在與否來區(qū)分。當(dāng)沿電軸方向施加壓力時(shí)，在被這些面修飾的軸的那一端產(chǎn)生負(fù)電荷。三角軸，也稱為光軸（z軸），不是極軸，因?yàn)榇怪庇谒膬蓚€(gè)角軸的存在意味著三角軸的兩端是相等的。因此沿光軸不會(huì)產(chǎn)生壓電極化。在直角坐標(biāo)系中，z軸平行于m個(gè)棱鏡面。主表面垂直于X軸的石英切割板稱為X切割板。將切口繞z軸旋轉(zhuǎn)90度，得到Y(jié)軸垂直于主表面的Y切割板。由于石英晶體有六個(gè)棱面，因此x軸和y軸有三種選擇。選擇是任意的；每個(gè)人的行為都一樣。

石英是一種光學(xué)活性材料。當(dāng)一束平面偏振光沿光軸傳輸時(shí)，偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)量取決于在材料中穿過的距離。旋轉(zhuǎn)方向可用于區(qū)分兩種天然存在的α石英形式，即左石英和右石英。在左側(cè)石英中，當(dāng)觀察者看向光源時(shí)，偏振面逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而在右側(cè)石英中，偏振面順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。大多數(shù)人工培育的石英是右石英，而天然的左石英和右石英分布大致相等。任何一種形式都可以很好地用于制造諧振器，但是不能使用左右形式混合的材料，這種材料被稱為光學(xué)孿生材料。另一方面，電孿晶材料都是相同的方向，但包含電軸方向相反的區(qū)域，因此降低了整體壓電效應(yīng)。這種材料也不適合諧振器應(yīng)用。天然石英晶體中孿晶和其他缺陷的存在是合適的天然材料短缺的主要原因，而培養(yǎng)石英中不存在顯著的孿晶構(gòu)成了其主要優(yōu)勢(shì)之一。當(dāng)α-石英被加熱到573℃以上時(shí)°c時(shí)，晶體形式變?yōu)棣?石英的晶體形式，其具有六方而不是三方對(duì)稱性。在通過573冷卻時(shí)°c時(shí)，材料轉(zhuǎn)變?yōu)棣?石英，但通常會(huì)發(fā)現(xiàn)電孿生。出于同樣的原因，施加大的熱應(yīng)力或機(jī)械應(yīng)力會(huì)誘發(fā)孿生，因此在諧振器加工中有必要避免任何此類熱沖擊或機(jī)械沖擊。

從生產(chǎn)它們的高壓釜中取出后，培養(yǎng)的石英貼片晶振晶體通過研磨轉(zhuǎn)化為所謂的木棒。這些是長(zhǎng)的矩形棒，適合隨后切割成用于諧振器的晶片。木條通常有6至8英寸長(zhǎng)，但可用長(zhǎng)度約為5至6英寸，因?yàn)榭拷瞬康牟牧蠠o法使用?？梢苑N植更長(zhǎng)的南瓜條，但這需要更長(zhǎng)的種子，其成本會(huì)隨著長(zhǎng)度的增加而迅速增加。木條的高度通常約為寬度的兩倍，因?yàn)橥ǔ拿總€(gè)切片上切下兩個(gè)晶片。大量標(biāo)準(zhǔn)尺寸的木棒可供選擇，石英也可以生長(zhǎng)并研磨至特定尺寸。

4.石英晶體中的化學(xué)雜質(zhì)

人造和天然石英都含有會(huì)影響諧振器性能的化學(xué)雜質(zhì)?；瘜W(xué)雜質(zhì)是那些與石英中的硅和氧形成化學(xué)鍵的雜質(zhì)。鋁、鐵、氫和氟是典型的化學(xué)雜質(zhì)。它們?cè)谌嗽焓⒅械暮勘忍烊皇⒅械暮康偷枚唷Ｈ欢?，化學(xué)雜質(zhì)在養(yǎng)殖石英中的分布并不均勻。+x，-x、z區(qū)域和偶爾形成的所謂s區(qū)域包含不同水平的化學(xué)雜質(zhì)。兩個(gè)z區(qū)域包含最少量的雜質(zhì)。+x區(qū)域比z區(qū)域包含更多的雜質(zhì)-x區(qū)域有更多的雜質(zhì)。s區(qū)的雜質(zhì)密度通常較小，介于z區(qū)和+x區(qū)之間。當(dāng)使用寬種子進(jìn)行培育時(shí)，伐木棒的z區(qū)域較大，而+x和-x區(qū)域很小。當(dāng)使用較窄、較便宜的種子時(shí)，z區(qū)域較小，而+x和-x個(gè)區(qū)域更大。通常，化學(xué)雜質(zhì)會(huì)導(dǎo)致諧振器性能下降，例如輻射硬度、纏繞敏感性、振蕩器短期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性以及濾波器損耗。

5.諧振器Q和晶體Q

晶體諧振器的Q值是一個(gè)周期內(nèi)存儲(chǔ)的能量與損失的能量之比:

Q º 2p循環(huán)期間儲(chǔ)存的能量/循環(huán)期間損失的能量

該值很重要，因?yàn)樗饬框?qū)動(dòng)諧振器所需的功率。Q值主要是諧振器工作環(huán)境、表面缺陷、機(jī)械附件以及加工和安裝諧振器時(shí)產(chǎn)生的其他因素的函數(shù)。

石英木條也被賦予一個(gè)Q值，但石英木條的Q值不是基于對(duì)儲(chǔ)存能量和損失能量的直接測(cè)量。相反，石英棒的Q是基于棒中雜質(zhì)的品質(zhì)因數(shù)。培養(yǎng)石英中的化學(xué)雜質(zhì)是通過引導(dǎo)紅外光穿過伐木棒橫截面切片中的z區(qū)域來測(cè)量的。測(cè)量?jī)蓚€(gè)特定波長(zhǎng)（3.500納米和3.800納米）下的透射率差異，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)計(jì)算Q值。高Q值的石英比低Q值的石英含雜質(zhì)少，根據(jù)EIA標(biāo)準(zhǔn)477-1，石英種植者和用戶通常使用“紅外Q值”測(cè)量作為石英質(zhì)量的指標(biāo)。

諧振器的Q值通常不同于切割諧振器的石英棒的Q值。然而，當(dāng)石英棒的Q低于臨界水平時(shí)，諧振器的Q會(huì)受到影響。培養(yǎng)石英的Q值為180萬或更高，表明化學(xué)雜質(zhì)不會(huì)影響大多數(shù)應(yīng)用中諧振器的最終Q值。具有這種Q值的石英通常被稱為電子級(jí)（C級(jí)）。特級(jí)石英的品質(zhì)因數(shù)為220萬（B級(jí)），特級(jí)石英的品質(zhì)因數(shù)為300萬（A級(jí)）。重要的是要知道，培養(yǎng)石英的Q值僅基于z區(qū)域的雜質(zhì)。因此，即使晶體Q適用于某一應(yīng)用，諧振器的有源部分（電極之間）包括+x，-x或s區(qū)域材料。

僅包含z-區(qū)域材料的石英晶體晶片只能從由相對(duì)昂貴的寬籽晶生長(zhǎng)的棒上成功切割。幸運(yùn)的是，電極很少覆蓋諧振器晶片的整個(gè)表面區(qū)域，-當(dāng)這些雜質(zhì)材料位于有源部分之外時(shí)，x或s區(qū)域不會(huì)不利地影響諧振器的工作。因此，大多數(shù)應(yīng)用的諧振器可以使用從相對(duì)便宜的窄籽晶生長(zhǎng)的石英。

6.摘要

壓電石英晶體是由著名的居里夫婦于1880年發(fā)現(xiàn)的，曾經(jīng)以高昂的成本從未經(jīng)雕琢的天然晶體中獲得，現(xiàn)在通過生產(chǎn)特定尺寸和純度晶體的工藝進(jìn)行人工生長(zhǎng)。這種人造石英降低了成本，縮小了對(duì)當(dāng)今數(shù)字電路計(jì)時(shí)至關(guān)重要的諧振器尺寸。