石英晶體的基本知識

1、化學物理特性

① 水晶的成份SiO2，在常壓下不同溫度時，石英晶體的結構不同，溫度T＜573 ℃時α石英晶體，當573℃＜T＜870℃時β石英晶體，熔點是1750℃，我們通常說的壓電石英晶體指α石英晶體。

② 具有壓電特性：

發現

壓電效應：

某些介質由于外界機械作用（如壓縮，拉伸等等）而在其內部發生極化，產生表面電荷的現象叫壓電效應。

逆壓電效應：

某些介質置于外電場中，由于電場的作用，會引起介質內部正負電荷中心的位移，導致介質發生形變，這種效應稱為逆壓電效應。

石英晶體在沿X 軸（或Y 軸）方向的力的作用時，在X 方向產生壓電效應，而Y 和Z 方向不產生壓電效應，X 軸稱為電軸，Y 軸稱為機械軸。

③ 具有各向異性：石英晶體是一種良好的絕緣材料，導熱系數在室溫附近，沿Z 軸方向是垂直于Z 軸方向的2 倍左右，沿Z 軸方向的線性膨脹系數a3 約為沿垂直于Z 軸方向線性膨脹系數a1 的1/2，其介電系數ε，壓電系數d 等隨方向的不同其數值也不同，在不同溫度，導熱系數K 與膨脹系數a 的數值也不同。

④ 是外形高度對稱的單晶體，其特征是原子和分子有規則的排列發育良好的石英晶體，外形最顯著的特點是晶面有規則的配置，石英晶體的晶面共30 個，六個m 面（柱面），六個R 面（大棱面）六個r 面（小棱面）六個s 面（三方偏錐面)，六個X 面（三方偏面），相鄰M 面的夾角度為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 面的夾角為25°57′。

石英晶體存在一個三次對稱軸C 和三個互成120°的軸a、b、d，在討論石英晶體的物理性質時，采用下圖所示的直角坐標系較為方便，選C 軸為z 軸，a （或b、d）軸為X 軸，與X 軸Z 軸垂直的Y 軸，其指向按1949 年IRE 標準規定，對左右旋晶體均采用右手直角坐標系。

如圖：a、b、c、d 為晶體坐標系

X、Y、Z 為直角坐標系

⑤ 具有雙折射現象：

但當光沿Z 軸方向射入時不發生雙折射現象，所以又稱Z 軸為光軸。

⑥ 石英晶體的密度ρ=2.65g/cm2，硬度為莫氏硬度7，在常溫常壓下不溶于三酸（HCL,H2SO4,HNO3），屬于溶解度極小的物質，但是氫氟酸和氟化氫銨卻是石英晶體良好的溶解液，其化學反應方程式

SiO2+4HF=SiF4+2H2O （3SiF4+3H2O=H2SiO3+2H2SiF6）

SiO2+4HF+2NH4F=（NH4）2SiF6+2H2O

其特性用于石英片的腐蝕。

3、石英晶片的切型

石英晶片對晶體坐標軸某種方位的切割稱為石英晶片的切型。由于石英晶體的各向異性，不同切型的石英片，因其彈性性質，壓電性質，溫度性質不同，其電特性和熱特性也各異。

下圖表示的是各種切型的位置：

① 切型符號表示：

石英晶體的切型符號有兩種表示方法，一種是IRE 標準規定的符號表示法，另一種是石英晶體所特有的習慣符號表示法。IRE 規定的切型符號用一組字母（XYZlWt）和角度表示，用XYZ 中三個字母的先后排列來表示晶片的厚度和長度沿坐標軸的原始方位，用t（厚度）、l（長度）、W（寬度）來表示旋轉的方位，角度的正號表示逆時針旋轉、負號表示順時針旋轉。

例：（Yxl）35° 原始晶片角度：Y 方向

原始晶片長度：X 方向

繞長度方向（X 軸）逆時針旋轉35°即得到晶片的切割方位，（XYtl）5°/-50°厚度t（X 軸）逆時針旋轉5°，再繞長度l（Y 軸）順時針旋轉50°，即是石英片的切割方位。