浙江藍晶芯微電子有限公司

ZHEJIANG LUCKI CM ELECTRONICS CO.,LTD

一、石英晶體與頻率控制組件

石英是由硅原子和氧原子組合而成的二氧化硅(Silicon Dioxide,SiO2),以32點群的六方晶系形成的單結晶結構〔圖一).單結晶的石英晶體結構具有壓電效應特性當施加壓力在晶體某些方向時，垂直施力的方向就會產生電氣電位.相對的當以一個電場施加在石英晶體某些軸向時，在另一些方向就會產生變形或振動現象.掌握單結晶石英材料的這種壓電效應，利用其發生共振頻率的特性，發揮其精確程度作為各類型頻率信號的參考基準，就是水晶震蕩器的設計與應用.因為石英晶體具有很高的材料Q值，所以絕大部份的頻率控制組件，如共振子及振蕩器，都以石英材料為基礎.以石英為基礎的頻率控制組件可以依其壓電振動的屬性，可以分為體波(bulk wav)振動組件及表面聲波(surface acoustic wave)振動組件.體波振動組件如石英晶體共振子，石英晶體濾波器及石英晶體振蕩器，表面波振動組件如表面波濾波器及表面波共振子.當石英晶體以特定的切割方式，以機械加工方式予以表面研磨，完成特定的外型尺寸就是通稱的石英芯片(quartz wafer或quartz blank).將這個石英芯片放置在真空還境中，于表面鍍上電極后，再以導電材料固定在金屬或是陶瓷基座上，并加以封裝，就成為一般所謂的石英晶體共振子(quartz crystal resonator).利用石英共振子在共振時的低阻抗特性及波的重迭特性，用鄰近的雙電極，可以做出石英晶體濾波器.將石英振蕩子加上不同的電子振蕩線路，可以做成不同特性的石英振蕩器.例如：石英頻率振蕩器(CXO),電壓控制石英晶體振蕩器Voltage Controlled Crystal Oscillator,,VCXO),溫度補償石英晶體振蕩器(Temperature Compensated CrystalOscillator,,TCXO),恒溫槽控制石英晶體振蕩器(Oven Controlled Crystal Oscillator,OCXO).等.相對于體波諧振的是表面聲波的諧振.將石英晶體表面鍍以叉狀電極(inter--digital--transducer,,IDT)方式所產生的表面振蕩波，可以制造出短波長（高頻率）諧振的表面聲波共振子(SAW Resonator))或表面聲波濾波器(SAW Filter)。

二、石英晶體的壓電特性

石英材料中的二氧化硅分子(SiO2) 在正常狀態下, 其電偶極是互相平衡的電中性. 在(圖二左)的二氧化硅是以二維空間的簡化圖形. 當我們在硅原子上方及氧原子下方分別給予正電場及負電場時, 空間系統為了維持電位平衡, 兩個氧原子會相互排斥, 在氧原子下方形成一個感應正電場區域, 同時在硅原子上方產生感應負電場區域. 相反的情況, 當我們在硅原子上方及氧原子下方分別給予負電場及正電場時, 兩個氧原子會相互靠近, 氧原子下方產生感應負電場,硅原子上方產生感應正電場. (圖二). 然而, 氧原子的水平位置變化時, 鄰近的另一個氧原子會相對的產生排斥或吸引的力量, 迫使氧原子回到原來的空間位置. 因此, 電場的力量與原子之間的力量會相互牽動, 電場的改變與水平方向的形變是形成交互作用狀態. 這個交互作用會形成一個在石英材料耗能最小的振動狀態, 祇要由電場持續給與能量, 石英材料就會與電場之間維持一個共振的頻率. 這個壓電效應下氧原子的振幅與電場強度及電場對二氧化硅的向量角度有相對應的關系.在實際的應用上, 電場是由鍍在石英芯片上的金屬電極產生, 電場與二氧化硅的向量角度則是由石英晶棒的切割角度來決定.

三、石英的切割角度

依據不同的應用領域及工作溫度需求，因應了許多不同的石英切割角度種類.例如AT-,BT-,CT-,DT-,NT,GT.等不同的切割板片.不同的切割方向的板片具有不同的彈性常數張量(elastic constant tensor),不同的壓電常數張量(piezoelectric constant tensor)及不同的介電常數張量(dielectric constant tensor).這些張量在石英組件的設計及應用上展現了不同的振蕩及溫度特性.（圖三）表現了在Z-plt石英結構上，幾種不同方向的石英板片切割方