石英晶体的压电特性

石英晶振材料中的二氧化硅(SiO2)原子是自然状态下的.与其电偶极是相互平衡的电中性.下图是二氧化硅以二维空间的简化结构图.当我们在硅原子上方及硅原子下方施加正电场及负电场时,空间系统为了维持电位平衡,在硅侧带正电,氧侧带负电,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.若将情况相反,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,两个原子会相互靠近.氧原子下方产生感应负电场,硅原子在上方生产感应正电场.当氧原子沿着水平方向与替代电场相同的频率及垂直方向靠近时,邻近的另一个氧原子会相对的生产排斥或者吸引的力量,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引,离子的位移或振动幅度取决于电场和石英的电偶极子之间的角度.电场的改变与水平方式的变换形成交互作用状态.在实际的三维石英晶振中,电场由涂覆在石英晶片表面上的电极提供,偶极子的取向可以通过石英棒的不同切割角度来决定.

石英晶体的压电特性

根据不同的应用领域以及不同的工作温度需求,所以产生不同的石英晶体板.例如AT-,BT-,CT-,DT-,NT-,GT…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-plat石英结构上,几种不同方向的石英板片切割方式.

石英晶体的切割角度

大部份的石英晶体产品是用于电子线路上的参考频率基准或频率控制组件,所以,频率与工作环境温度的特性是一个很重要的参数.良好的频率与温度(frequeny versus temperature)特性也是选用石英做为频率组件的主要因素之一. 经过适当的设计与定义,石英晶体组件可以很容易的就满足到一百万分之一(parts per million, ppm)单位等级的频率误差范围.若以离散电路方式将LCR零件组成高频振荡线路,虽然也可以在小量生产规模达到所需要的参考频率信号误差在ppm或sub-ppm等级要求,可是这种方式无法满足产业要达到的量产规模.石英组件的频率对温度特性更是离散振荡线路无法简易达成的.在(图四) 中提供了数种不同的石英晶体切割角度的频率对温度特性曲线.

石英晶体的频率特性与温度特性

在各种不同种类的切割角度方式中, AT角度切割的石英芯片适用在数MHz到数佰MHz的频率范围,是石英芯片应用范围最广范及使用数量最多的一种切割应用方式. 在(图五)中, 从石英晶棒X-轴向的上视图, 可以看到对Z-轴向旋转约35度的AT 方向. 这在大量生产的技术上也是很好达成的一种作业方式.

石英晶体的切割方向

上图是以AT切割角度变动在厚度振动模态的频率对温度特性的展开图. 图中以常用的室温摄式25度作为相对零点, AT切割的最大优点是频率对温度变化为一元三次方曲线. 这个特性, 从(图六)中可以看到, 在相当宽广的温度范围下, AT切割的温度曲线的第一阶及第二阶常数为零, 第三阶的常数便决定了频率对温度的变化值.

切割晶体的温度频率特性变化