石英晶体基础知识目录一、石英晶体的基本知识 (2)1、化学物理特性 (2)2、石英晶体的振动模式 (3)3、石英晶片的切型 (5)二、AT 石英谐振器的特性 (8)1、频率方程 (8)2、AT 切石英谐振器的频率温度特性 (8)三、AT 切石英谐振器的加工制造 (15)1、X 光定向粘板 (15)2、石英晶片切割 (16)3、X 光测角 (17)4、粘砣，切籽晶及改圆 (17)5、研磨 (18)6、滚筒倒边 (18)7、石英片的腐蚀 (19)8、镀基膜 (19)9、石英晶体的装架 (20)10、微调 (22)11、真空烘烤和封装 (22)12、密封性能检查 (23)13、石英谐振器的老化 (23)14、石英谐振器的测试 (23)一、石英晶体的基本知识1、化学物理特性①水晶的成份SiO2，在常压下不同温度时，石英晶体的结构不同，温度T＜573 ℃时α石英晶体，当573℃＜T＜870℃时β石英晶体，熔点是1750℃，我们通常说的压电石英晶体指α石英晶体。
②具有压电特性：发现压电效应：某些介质由于外界机械作用（如压缩，拉伸等等）而在其内部发生极化，产生表面电荷的现象叫压电效应。
逆压电效应：某些介质置于外电场中，由于电场的作用，会引起介质内部正负电荷中心的位移，导致介质发生形变，这种效应称为逆压电效应。
石英晶体在沿X 轴（或Y 轴）方向的力的作用时，在X 方向产生压电效应，而Y 和Z 方向不产生压电效应，X 轴称为电轴，Y 轴称为机械轴。
③具有各向异性：石英晶体是一种良好的绝缘材料，导热系数在室温附近，沿Z轴方向是垂直于Z 轴方向的2 倍左右，沿Z 轴方向的线性膨胀系数a3 约为沿垂直于Z 轴方向线性膨胀系数a1 的1/2，其介电系数ε，压电系数d 等随方向的不同其数值也不同，在不同温度，导热系数K 与膨胀系数a 的数值也不同。
④是外形高度对称的单晶体，其特征是原子和分子有规则的排列发育良好的石英晶体，外形最显著的特点是晶面有规则的配置，石英晶体的晶面共30 个，六个m 面（柱面），六个R 面（大棱面）六个r 面（小棱面）六个s 面（三方偏锥面)，六个X 面（三方偏面），相邻M 面的夹角度为60°，相邻M 面和R面的夹角与相邻M 面和r 面的夹角都等于38°13′，相邻s 面与X 面的夹角为25°57′。
石英晶体存在一个三次对称轴C 和三个互成120°的轴a、b、d，在讨论石英晶体的物理性质时，采用下图所示的直角坐标系较为方便，选C 轴为z 轴，a （或b、d）轴为X 轴，与X 轴Z 轴垂直的Y 轴，其指向按1949 年IRE 标准规定，对左右旋晶体均采用右手直角坐标系。
如图：a、b、c、d 为晶体坐标系X、Y、Z 为直角坐标系⑤具有双折射现象：但当光沿Z 轴方向射入时不发生双折射现象，所以又称Z 轴为光轴。
⑥石英晶体的密度ρ=2.65g/cm2，硬度为莫氏硬度7，在常温常压下不溶于三酸（HCL,H2SO4,HNO3），属于溶解度极小的物质，但是氢氟酸和氟化氢铵却是石英晶体良好的溶解液，其化学反应方程式SiO2+4HF=SiF4+2H2O （3SiF4+3H2O=H2SiO3+2H2SiF6）SiO2+4HF+2NH4F=（NH4）2SiF6+2H2O其特性用于石英片的腐蚀。
2、石英晶体的振动模式：石英晶片在电场作用下，由于内部产生应力而形变，从而产生机械振动，晶片的振动都是单纯的周期振动，所谓周期（T）就是机械波在传播过程中完成一次循环所需的时间，周期的倒数f 是单位时间内振动的次数，我们称为频率，单位是Hz（赫兹）或千赫兹（KHz）或兆赫兹（MHz），石英晶体的振动形式有伸缩振动、弯曲振动、面切变振动和厚度切变振动，按照不同的使用要求，石英谐振器的频率f从几千赫兹到几百兆赫兹，采用不同的振动模式和不同的晶片尺寸来实现产品所要求的频率。
当晶片的长度L＞＞t（厚度）及W 宽度时，其振动模式的频率f∝1/L 即fn=nKr/L（n=1、2、3…）例：X+5°Kr=2820KHz,mm 频率范围50~400KHZ②弯曲振动模式当L＞＞t，W 时f∝W/L2 fn=nKW/L2 （n=1、2、3…）例：NT5°/-50°Kr=4488~5590（W/L：0.11~0.33）（KHz,mm）频率范围：16MHz~100KHz③面切变振动模式t＜＜L.W 时频率方程：f∝1/L fn=nKr/L （n=1、2、3…）例：CT37°30′Kr=3082KHz.mm（W/l=1）频率范围100KHz~600KHz频率f∝1/t 即fn=nKr/t （n=1、2、3…）例：AT 35°Kr=1670KHz,mm频率范围500KHz~350MHzBT -49°Kr=2650KHz,mm频率范围3MHz~75MHz3、石英晶片的切型石英晶片对晶体坐标轴某种方位的切割称为石英晶片的切型。
由于石英晶体的各向异性，不同切型的石英片，因其弹性性质，压电性质，温度性质不同，其电特性和热特性也各异。
下图表示的是各种切型的位置：①切型符号表示：石英晶体的切型符号有两种表示方法，一种是IRE 标准规定的符号表示法，另一种是石英晶体所特有的习惯符号表示法。
IRE 规定的切型符号用一组字母（XYZlWt）和角度表示，用XYZ 中三个字母的先后排列来表示晶片的厚度和长度沿坐标轴的原始方位，用t（厚度）、l（长度）、W（宽度）来表示旋转的方位，角度的正号表示逆时针旋转、负号表示顺时针旋转。
例：（Yxl）35°原始晶片角度：Y 方向原始晶片长度：X 方向绕长度方向（X 轴）逆时针旋转35°即得到晶片的切割方位，（XYtl）5°/-50°厚度t（X 轴）逆时针旋转5°，再绕长度l（Y 轴）顺时针旋转50°，即是石英片的切割方位。
石英晶体的习惯符号多数用二个英文大写字母表示，例（YXl）35°切型习惯符号用AT 表示，（XYtl）5°/-50°用NT 表示。
②常用石英晶体切型：二、 AT 石英谐振器的特性1、频率方程①特点：a、频率高，范围宽500KHz~350MHz。
b、压电活力高。
c、宽温度范围内（-55°~85℃）频率温度特性好。
d、加工方便，体积小，适于大批量生产。
②振动频率方程：fn=n Kr/t (n=1、3、5、7…) 当l/t＞＞20 w/l＞＞20或φ/t＞＞60 时，上式Kr=1670KHz.mm例：25MHz，FUNDAMENTAL 时，厚度是66.8μm再薄的实际上加工不可能，而利用OVERTONE 的形式，可加工具有从25MHz 到200MHz 频率的晶体。
2、AT 切石英谐振器的频率温度特性①温度特性：石英谐振器的频率随温度变化而变化的性质。
石英谐振器的频率温度特性方程为：△f/f0=(f-f0)/f0=a0(T-T0)+b0(T-T0)2+c0(T-T0)3其中T：任意温度T0：参考温度f0：在参考温度T0 时的频率a0、b0、c0 为T0 时的一级、二级、三级温度系数。
石英谐振器的温度系数Tr=(l/f0)*(df/dT)=a0+2b0(T-T0)+3c0(T-T0)2其中：a0=(l/f0)* (df/dT) T-T0b0=(1/2f0)*(d2f/dT3) T-T0c0=(1/6f0)*(d3f/dT3) T-T0Tr 为任意温度T 时的频率温度系数，Tr 绝对值的大小表示该温度附近频率随温度变化的大小，当Tr=0 时，则表示在该温度时频率随温度的变化为零，温度稳定性最好，当T=T0 时，Tr=a0，这表明只有在a0=0 时，才能Tr=0，所以a0=0的切角称为零温度系数切角，AT 切型的切角为35°15′时：a0≈0b0=0.39³10-9/℃2c0=109³10-12/℃3而a0、b0、c0 随切角而变化，其变化率为：da0/dφ=-5.15³10-6/℃²度db0/dφ=-4.7³10-9/℃2²度dc0/dφ=2³10-12/℃3²度φ为AT 切型的切角②AT 切频率特性曲线与特性方程：频率特性曲线随切型、切角、尺寸、密度和弹性系数而变化，下图（1）是各种切型理论上的温度曲线在φ=35°05′~35°30′范围内AT 切型频率温度特性曲线如下图（2）所示从图可知，在拐点（Ti）(d2f/dT2)T1=0在极点（Tm、Tn）有(df/dT)Tm.n=0若选Ti 为参考温度，则：曲线A：b0=0 曲线方程为：△f/f0= a0(T-T i) +c0(T-T i)3曲线B：a0=0 b0=0 (Ti 为参考温度)△f/f0= c0(T-T i)3曲线B 在拐点附近较窄的温度范围内△f/f 的变化很小，适合于窄温小公差产品的要求，曲线A 在拐点附近较宽的温度范围内，由于存在两个极点，△f/f 的变化很小，能够满足宽温度范围的使用要求，其差别在于A 曲线的一级温度系数a0≠0，所以在实际应用中为了扩大温度使用范围，当曲线B 切角确定后，还应采取稍微改变切角的方法，使a0 变得不为零，即可达到宽温度使用要求，AT 切的拐点温度为Ti=27℃，不同切角极点温度为：③影响AT 切型频率温度特性的因素：a、切角φ的影响，当晶片的外型确定后，改变频率温度特性曲线的最有效的方法是改变晶片切角，理论上AT 切的温特曲线如图所示，这些曲线是切角在基准角的基础上各变化2′得到的。
水晶片切断角度的中心值也根据PACKAGE TYPE 的大小（水晶片的大小），发振频率（水晶片的厚度）及水晶片的加工法等所变化，所以不能肯定此曲线的0 必须是AT CUT 水晶片的切断角度的35°15′，而且这些曲线模样也在各种条件下可变，故此频率温度特性曲线不一定符合AT CUT 水晶片，因此，水晶振动子的频率特性有各种制造上的制约，实际上不能照样适用理论曲线。
b、晶片尺寸的影响：晶片厚度变薄时，需增加切角，以满足温度特性。
晶片直径变小时，需增加切角，以满足温度特性。
磨双凸或倒边使晶片φ/t 增加时，需减小切角。
c、泛音次数的影响：基频，35°15′3 次泛音，35°15′+8′=35°23′5 次泛音，35°15′+10′=35°25′7 次泛音，35°15′+12′=35°27′d、电轴偏差的影响：晶片电轴方向的切角误差XX′≤30′，电轴方向切角的误差光轴方向的切角误差约为XX′=45′ZZ′=1′d1、等效电路谐振时Z=R1 fs=1/2π(L1C1)1/2反谐振时Z=1/ωp2c02R1L1：动态电感C1：动态电容R1：等效串联谐振电阻C0：静电容d2、负载电容：在振荡器中与石英谐振器联合决定工作频率的有效外界电容，称为负载电容（CL），也就是说由于石英谐振器工作在某种线路之后，所给的工作频率既不是石英谐振器的串联谐振频率，也不是其并联谐振频率，而是两个频率之间，这个结果是因线路的影响的缘故，就相当于在石英谐振器上串上或并上一个电容的影响是一样的。