抗輻射性能的石英晶體是這樣制作而成的
來源：http://www.cbjur26.cn 作者：康華爾 2018年04月09
石英晶體的一般性質(zhì)
石英晶體的密度為265g/cm3,莫氏硬度為7,透明晶瑩。
在常溫常壓下,石英晶體不溶于水和三酸(鹽酸HCl、硫酸H2SO4、硝酸HNO3)屬于溶解度極小的物質(zhì)。但在高溫高壓下,再加入適量助溶劑,如碳酸鈉(Na2CO3)或氫氧化鈉(NaOH)等,就可大大提高其溶解度。這個特點被用于石英晶體的人工培育。
氫氟酸(HF)、氟化銨(NH4F)與氟化氫銨(NH4HF2)是石英晶體良好的溶解液,這在石英晶片加工中是很有用的。
石英晶體是一種良好的絕熱材料,導熱系數(shù)比較小(見表1.3.1)
表1.3.1石英晶體的導熱系數(shù)
室溫附近,沿z軸方向的導熱系數(shù)是沿垂直于z軸方向?qū)嵯禂?shù)的二倍左右與z軸成q角的任一方向的導熱系數(shù)可由下式求得
(1.3.1) Kφ=K3cos²φ+K1sin²φ,
其中K1是垂直于Z軸的導熱系數(shù),K3是平行于z軸的導熱系數(shù)石英晶體諧振器的膨脹系數(shù)也很小,且沿z軸方向的線膨脹系數(shù)a3約為沿垂直于z軸方向線膨脹系數(shù)a1的1/2(見表1.3.2)。
表1.3.2石英晶體的線膨脹系數(shù)值
若已知a1和a3,由下式可求出與Z軸成φ角的任一方向的線膨脹系數(shù)aL:al=a3+(a1-a3) sin²φ
在室溫附近:aL=(7.48+623sin²φ)×10-6 并可由a1和a3求得體膨脹系數(shù)arar=2a1+a3
由于石英晶體的熱膨脹系數(shù)較小,因此可用于精密儀器中。但當它被加熱時, 體膨脹系數(shù)會發(fā)生很大變化。在溫度達573℃時,石英晶體由a石英晶體轉(zhuǎn)變?yōu)锽石英,體積急劇增大。石英晶體內(nèi)部產(chǎn)生的較強的機械應力可能會造成裂隙和雙晶,這是在石英晶體元件的加工中要注意避免的。
石英晶體、SMD晶振還是一種良好的絕緣體,其電阻率可由下式求得：p=Be-AT;式中,p為電阻率,T為絕對溫度,e為自然對數(shù)的底,A等于1.15×104B為相應的常數(shù)。平行于z軸方向的B=3000,垂直于z軸方向的B為平行于z軸方向的1/80。B值除與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)外,還與沿z軸方向孔道中堿金屬雜質(zhì)(K+、Na+)的存在有關(guān)。表1.3.3列出了石英晶體在不同溫度下的電阻率,單位為ohm. cn。
表1.3.3石英晶體在不同溫度下的p(ohm.cm)
石英晶體介電常數(shù)(描述材料介電性質(zhì)的量,是電位移D與電場強度E的一個比例系數(shù))的各向異性不很明顯,平行于z軸的介電常數(shù)ε3=4.6,垂直于z軸的介電常數(shù)ε1=4.5。
在電場作用下,電介質(zhì)發(fā)熱而消耗的能量叫介質(zhì)損耗,通常以損耗角的正切值(tg6)來表示其損耗的大小。石英晶體的介質(zhì)損耗較小,tg6<2×10-4因此用它作電氣材料具有高穩(wěn)定性。
石英晶體、無源晶振等水晶雖不像諸如彈簧、橡皮筋那樣的物體,振動日時能看到明顯地形變,但是它仍然服從彈性定律(胡克定律),并且可以通過全息照相看到它形變的情況。當然,石英晶體的形變更復雜些,描述更困難些,這將在第二章中進一步講述。
某些電介質(zhì)由于外界的機械作用(如壓縮、拉伸等)而在其內(nèi)部發(fā)生變化產(chǎn)生表面電荷,這種現(xiàn)象叫壓電效應。具有壓電效應的電介質(zhì)也存在逆壓電效應,即如果將具有壓電效應的介質(zhì)置于外電場中,由于電場的作用,會引起介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心位移,而這位移又導致介質(zhì)發(fā)生形變,這種效應稱為逆壓電效應。
正像某些其它晶體(如酒石酸鉀鈉KNaC4H4O6.4H2O、鈦酸鋇 BaTio3等等)那樣,石英晶體也具有壓電效應。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,不是任何方向都存在壓電效應的,只有在某些方向,某些力的作用下才產(chǎn)生壓電效應。例如:當石英晶體受到沿x軸方向的力作用時,在x方向產(chǎn)生壓電效應,而y、z方向則不產(chǎn)生
壓電效應,當石英晶體受到沿y軸方向的力作用時,在x方向產(chǎn)生壓電效應,而y、z方向也不產(chǎn)生壓電效應。若受到沿z軸方向的力作用時,是不產(chǎn)生壓電效應。因此又稱x軸為電軸,y軸為機械軸。利用石英晶體的壓電效應可制造多種高穩(wěn)定性的頻率選擇和控制元件,這將在以后各章逐步講述。
石英晶體也與其它一些物質(zhì)(如方解石CaCO3、硝酸鈉NaNO3晶體等)那樣具有雙折射現(xiàn)象,即一束光射入石英晶振時,分裂成兩束沿不同方向傳拓的光其中一束光遵循折射定律,叫做尋常光或稱“0”光,另一束光不遵循折射定律,叫做非尋常光,又稱“e”光,如圖1.3.1所示,尋常光在石英晶體內(nèi)部各個方向上的折射率mo是相等的,而非尋常光在石英晶體的內(nèi)部各個方向的折射率n0卻是不相等的。例如:對于波長為5893A的光,石英晶體的n0=1.54425,最大的ne=1.5536。石英晶體雖然具有雙折射現(xiàn)象,但當光沿z軸方向入射時,不發(fā)生雙折射現(xiàn)象,所以又稱z軸為光軸
無論是進口晶振還是國產(chǎn)石英晶體還具有旋光性。即平面偏振光(光振動限于某一固定方向的光)沿z軸方向通過石英晶體后,仍然是平面偏振光,但其振動面卻較之原振動面旋轉(zhuǎn)了一個角度。
圖1.3.1石英晶體的雙折射
石英晶體的光學性質(zhì)被應用到制造各種光學儀器和石英片加工工藝中。
從六十年代起開展了石英晶體元件輻射效應的研究工作,在此做一些簡單的介紹。
由于宇宙射線的輻照和核武器爆炸,地球周圍存在高能粒子和y射線、X射線等輻射。這些輻射對石英晶體及其器件都有很大的影響,無色透明的石英晶體經(jīng)放射線照射后會變?yōu)闊熒?石英晶體元件被輻照后,會使頻率發(fā)生變化,穩(wěn)定性下降,等效電阻升高。
一般認為,石英晶體被γ射線和高能粒子轟擊后,會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)空穴和色心,這是由于堿金屬離子(A1+3和Na+)的存在所引起的。因此,要提高石英晶體抗輻射的能力,首先要減少和消除石英晶體中的上述雜質(zhì)。一方面選擇最佳籽晶和
生長條件;另一方面可使用“電清除”的方法驅(qū)逐晶體中的雜質(zhì)。有人做過這樣的實驗:用z向厚度為1cm的樣片,加溫到450~470℃,加電壓1500-1700V/cm,通過晶體的電流為250μA,20分鐘后則降為20μA,這時在負極表面出現(xiàn)由堿金屬雜質(zhì)形成的乳白色薄層。顯然,這是一種高溫、高壓排除晶體中金屬離子等雜質(zhì)的工藝過程。經(jīng)過這種“電清除”的人造石英晶體制成的石英晶體元件，32.768K晶振,石英晶體振蕩器等石英晶體產(chǎn)品具有良好的抗輻射性能。
石英晶體的密度為265g/cm3,莫氏硬度為7,透明晶瑩。
在常溫常壓下,石英晶體不溶于水和三酸(鹽酸HCl、硫酸H2SO4、硝酸HNO3)屬于溶解度極小的物質(zhì)。但在高溫高壓下,再加入適量助溶劑,如碳酸鈉(Na2CO3)或氫氧化鈉(NaOH)等,就可大大提高其溶解度。這個特點被用于石英晶體的人工培育。
氫氟酸(HF)、氟化銨(NH4F)與氟化氫銨(NH4HF2)是石英晶體良好的溶解液,這在石英晶片加工中是很有用的。
石英晶體是一種良好的絕熱材料,導熱系數(shù)比較小(見表1.3.1)
表1.3.1石英晶體的導熱系數(shù)
| 溫度(℃) | K3×10-3(cal/cm·s:℃) | K1×103( cal/cm.s℃) |
| -200 | 接近150 | 66 |
| -150 | 74 | 36 |
| -100 | 52 | 26 |
| -50 | 40 | 20.5 |
| 0 | 32 | 17.0 |
| 50 | 25.5 | 14.9 |
| 100 | 21 | 13.1 |
(1.3.1) Kφ=K3cos²φ+K1sin²φ,
其中K1是垂直于Z軸的導熱系數(shù),K3是平行于z軸的導熱系數(shù)石英晶體諧振器的膨脹系數(shù)也很小,且沿z軸方向的線膨脹系數(shù)a3約為沿垂直于z軸方向線膨脹系數(shù)a1的1/2(見表1.3.2)。
表1.3.2石英晶體的線膨脹系數(shù)值
| 溫度(℃) | a1×10-6/℃ | a3×10-6/℃ |
| -250 | 8.60 | 4.10 |
| -200 | 9.90 | 5.50 |
| -100 | 11.82 | 6.08 |
| 0 | 13.24 | 7.10 |
| 100 | 14.45 | 7.97 |
| 200 | 15.61 | 8.75 |
| 300 | 16.89 | 9.60 |
| 400 | 18.5 | 10.65 |
| 500 | 20.91 | 12.22 |
在室溫附近:aL=(7.48+623sin²φ)×10-6 并可由a1和a3求得體膨脹系數(shù)arar=2a1+a3
由于石英晶體的熱膨脹系數(shù)較小,因此可用于精密儀器中。但當它被加熱時, 體膨脹系數(shù)會發(fā)生很大變化。在溫度達573℃時,石英晶體由a石英晶體轉(zhuǎn)變?yōu)锽石英,體積急劇增大。石英晶體內(nèi)部產(chǎn)生的較強的機械應力可能會造成裂隙和雙晶,這是在石英晶體元件的加工中要注意避免的。
石英晶體、SMD晶振還是一種良好的絕緣體,其電阻率可由下式求得：p=Be-AT;式中,p為電阻率,T為絕對溫度,e為自然對數(shù)的底,A等于1.15×104B為相應的常數(shù)。平行于z軸方向的B=3000,垂直于z軸方向的B為平行于z軸方向的1/80。B值除與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)外,還與沿z軸方向孔道中堿金屬雜質(zhì)(K+、Na+)的存在有關(guān)。表1.3.3列出了石英晶體在不同溫度下的電阻率,單位為ohm. cn。
表1.3.3石英晶體在不同溫度下的p(ohm.cm)
| 溫度(℃) | 平行于z軸的p | 垂直于z軸的p |
| 20 | 0.1×1015 | 20×1015 |
| 100 | 0.8×1012 | |
| 200 | 70×1018 | |
| 300 | 60×106 |
在電場作用下,電介質(zhì)發(fā)熱而消耗的能量叫介質(zhì)損耗,通常以損耗角的正切值(tg6)來表示其損耗的大小。石英晶體的介質(zhì)損耗較小,tg6<2×10-4因此用它作電氣材料具有高穩(wěn)定性。
石英晶體、無源晶振等水晶雖不像諸如彈簧、橡皮筋那樣的物體,振動日時能看到明顯地形變,但是它仍然服從彈性定律(胡克定律),并且可以通過全息照相看到它形變的情況。當然,石英晶體的形變更復雜些,描述更困難些,這將在第二章中進一步講述。
某些電介質(zhì)由于外界的機械作用(如壓縮、拉伸等)而在其內(nèi)部發(fā)生變化產(chǎn)生表面電荷,這種現(xiàn)象叫壓電效應。具有壓電效應的電介質(zhì)也存在逆壓電效應,即如果將具有壓電效應的介質(zhì)置于外電場中,由于電場的作用,會引起介質(zhì)內(nèi)部正負電荷中心位移,而這位移又導致介質(zhì)發(fā)生形變,這種效應稱為逆壓電效應。
正像某些其它晶體(如酒石酸鉀鈉KNaC4H4O6.4H2O、鈦酸鋇 BaTio3等等)那樣,石英晶體也具有壓電效應。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,不是任何方向都存在壓電效應的,只有在某些方向,某些力的作用下才產(chǎn)生壓電效應。例如:當石英晶體受到沿x軸方向的力作用時,在x方向產(chǎn)生壓電效應,而y、z方向則不產(chǎn)生
壓電效應,當石英晶體受到沿y軸方向的力作用時,在x方向產(chǎn)生壓電效應,而y、z方向也不產(chǎn)生壓電效應。若受到沿z軸方向的力作用時,是不產(chǎn)生壓電效應。因此又稱x軸為電軸,y軸為機械軸。利用石英晶體的壓電效應可制造多種高穩(wěn)定性的頻率選擇和控制元件,這將在以后各章逐步講述。
石英晶體也與其它一些物質(zhì)(如方解石CaCO3、硝酸鈉NaNO3晶體等)那樣具有雙折射現(xiàn)象,即一束光射入石英晶振時,分裂成兩束沿不同方向傳拓的光其中一束光遵循折射定律,叫做尋常光或稱“0”光,另一束光不遵循折射定律,叫做非尋常光,又稱“e”光,如圖1.3.1所示,尋常光在石英晶體內(nèi)部各個方向上的折射率mo是相等的,而非尋常光在石英晶體的內(nèi)部各個方向的折射率n0卻是不相等的。例如:對于波長為5893A的光,石英晶體的n0=1.54425,最大的ne=1.5536。石英晶體雖然具有雙折射現(xiàn)象,但當光沿z軸方向入射時,不發(fā)生雙折射現(xiàn)象,所以又稱z軸為光軸
無論是進口晶振還是國產(chǎn)石英晶體還具有旋光性。即平面偏振光(光振動限于某一固定方向的光)沿z軸方向通過石英晶體后,仍然是平面偏振光,但其振動面卻較之原振動面旋轉(zhuǎn)了一個角度。
圖1.3.1石英晶體的雙折射
石英晶體的光學性質(zhì)被應用到制造各種光學儀器和石英片加工工藝中。
從六十年代起開展了石英晶體元件輻射效應的研究工作,在此做一些簡單的介紹。
由于宇宙射線的輻照和核武器爆炸,地球周圍存在高能粒子和y射線、X射線等輻射。這些輻射對石英晶體及其器件都有很大的影響,無色透明的石英晶體經(jīng)放射線照射后會變?yōu)闊熒?石英晶體元件被輻照后,會使頻率發(fā)生變化,穩(wěn)定性下降,等效電阻升高。
一般認為,石英晶體被γ射線和高能粒子轟擊后,會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)空穴和色心,這是由于堿金屬離子(A1+3和Na+)的存在所引起的。因此,要提高石英晶體抗輻射的能力,首先要減少和消除石英晶體中的上述雜質(zhì)。一方面選擇最佳籽晶和
生長條件;另一方面可使用“電清除”的方法驅(qū)逐晶體中的雜質(zhì)。有人做過這樣的實驗:用z向厚度為1cm的樣片,加溫到450~470℃,加電壓1500-1700V/cm,通過晶體的電流為250μA,20分鐘后則降為20μA,這時在負極表面出現(xiàn)由堿金屬雜質(zhì)形成的乳白色薄層。顯然,這是一種高溫、高壓排除晶體中金屬離子等雜質(zhì)的工藝過程。經(jīng)過這種“電清除”的人造石英晶體制成的石英晶體元件，32.768K晶振,石英晶體振蕩器等石英晶體產(chǎn)品具有良好的抗輻射性能。
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