石英晶體器件概述：從原料到振蕩器

石英晶體器件概述：從原料到振蕩器
石英晶體器件的使用是如何開始的？早在1880年居里兄弟（Pierre and Jacques Paul Currie）發(fā)現(xiàn)了石英晶體的壓電效應。在1917年，P. Langevin教授使用一些X切的石英晶片來產生并探測水中的聲波。他的目的是為了提供一種探測潛艇的方法，并且他的研究引導了聲納的發(fā)展。今天，這種技術仍然被用于超聲波成像。
1923年，哈佛大學的G. W. Pierce證明，帶一組電極的石英晶片能夠被用來控制振蕩器電路和單極電子管的頻率。因此，相比于其他類型的振蕩電路而言，皮爾斯振蕩電路被用于更多的振蕩器中。在20世紀20年代和30年代，主要應用在業(yè)余無線電裝置。
Galvin Mfg公司（今天的Motolola公司的前身）的Dan Nobel通過大量的工作來證明晶體控制是影響雙路無線電通信的基礎。最初應用于警用無線電通信。隨后，在1939年，晶體控制器被大規(guī)模的用于美國軍隊無線通信系統(tǒng)中。在1943年期間，為了支持二次大戰(zhàn)，大約有130制造商使用天然石英來生產晶體元件。
戰(zhàn)后，隨著石英晶體器件的需求急劇下降，在短短的幾個月內，生產廠家減少到不到50家。朝鮮戰(zhàn)爭刺激了新的增長，但在戰(zhàn)爭結束后再次下降。
由于天然的石英含有大量的雜質，因此并不是十分適合做成電子器件。隨后人們發(fā)現(xiàn)，天然石英在高壓釜中溶解并進行重組，就可以生產出純凈的石英，即人造石英。在無線網絡市場猛增的今天，這個發(fā)現(xiàn)使得石英器件成為頻率控制的關鍵因素。圖1.天然的石英晶體
石英的一些優(yōu)點：
壓電效應：將壓應力施加于石英材料引起相應的電勢（piezein在希臘語中表示“施加壓力” ）。相反，在石英片上下表面中形成一個電勢差能夠引起晶片振動。通過控制材料的幾何形狀，能夠控制晶片的振動速率或頻率。溫度系數(shù)低：在變化的溫度環(huán)境下，石英晶體特性十分穩(wěn)定。溫度系數(shù)規(guī)定為超過在工作溫度范圍僅改變百萬分之一的單位（例如：±50ppm）。
低損耗（高Q值）：石英晶體展現(xiàn)了卓越的老化滯后現(xiàn)象。換句話來說，隨著時間的增長，產品仍可以穩(wěn)定工作，通常規(guī)定如：五年后為10MHz ±50ppm。
牽引度：石英晶體有一定的牽引度范圍?？梢詢H僅通過改變振蕩電路的電容負載使振蕩頻率發(fā)生變化。
自然界產量豐富：在地殼中最常見的礦物中，石英晶體位居第二，長石位居第一。開采的材料被稱為石英原礦，可以在近地殼表面找到。
能夠再生：石英晶體可以進行人工合成。石英原礦在高壓釜中經過加工，生長成高純度和完美的石英晶體條。
重復處理技術：先進的制造技術及嚴格的誤差控制確保極高的精度。
硬而不脆：這種材料的獨特性在于，它是如此之硬從而可以進行加工，然而又不脆。這使得石英晶體有卓越的防沖擊及振動能力。
從礦石到儀器
晶體的生長：人造石英的生長從石英原礦放入高壓釜中開始。隨后，籽晶被吸附到裝入高壓釜中的生長基上。放入堿性溶液，密封容器并且打開電源。通過恒定的溫度控制石英原礦的溶解及籽晶的吸附。大約100到150天左右（由形成何種類型的石英晶體決定），打開容器并且取走人造石英棒。
切角：石英棒的特定切角根據(jù)石英晶體的特性需求來決定的（圖3）。使用高精度的X光定向設備能夠確保切角的精確。將晶片分批打磨，可以制成預先設定的形狀。
精確的晶片加工：為了確保特定厚度，表面平滑，光滑度及平行度，晶片必須進行處理。首先進行研磨，隨后拋光，蝕刻及清洗。最后，通過氣相蒸發(fā)過程將電極粘附在晶片上。