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(gè)特點(diǎn)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)是石英貼片晶振,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(dǎo)熱系數(shù)比較小(見表1.3.1)

表1.3.1石英晶體的導(dǎo)熱系數(shù)

室溫附近,沿z軸方向的導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)熱系數(shù),K3是平行于z軸的導(dǎo)熱系數(shù)石英晶體的膨脹系數(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 (1.32)

在室溫附近:aL=(7.48+623sin²φ)×10-6 (1.33)

并可由a1和a3求得體膨脹系數(shù)ar：ar=2a1+a3 (1.3.4)

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(dāng)它被加熱時(shí), 體膨脹系數(shù)會(huì)發(fā)生很大變化。在溫度達(dá)573℃時(shí),石英晶體由a石英晶體轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>B石英,體積急劇增大。石英晶體諧振器內(nèi)部產(chǎn)生的較強(qiáng)的機(jī)械應(yīng)力可能會(huì)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(duì)溫度,e為自然對(duì)數(shù)的底,A等于1.15×104B為相應(yīng)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列出了晶振,有源晶振,石英晶體振蕩器,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(qiáng)度E的一個(gè)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。有源晶體振蕩器,比如溫補(bǔ)晶振,壓控晶振,有源石英晶體的介質(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。

石英晶體雖不像諸如彈簧、橡皮筋那樣的物體,振動(dòng)日時(shí)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(dāng)然,石英晶體的形變更復(fù)雜些,描述更困難些,這將在第二章中進(jìn)一步講述。

某些電介質(zhì)由于外界的機(jī)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(yīng)。具有壓電效應(yīng)的電介質(zhì)也存在逆壓電效應(yīng),即如果將具有壓電效應(yīng)的介質(zhì)置于外電場中,由于電場的作用,會(huì)引起介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心位移,而這位移又導(dǎo)致介質(zhì)發(fā)生形變,這種效應(yīng)稱為逆壓電效應(yīng)。

正像某些其它晶體(如酒石酸鉀鈉KNaC₄H₄O₆.4H₂O、鈦酸鋇 BaTio₃等等)那樣,貼片有源晶振,石英晶體也具有壓電效應(yīng)。由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,不是任何方向都存在壓電效應(yīng)的,只有在某些方向,某些力的作用下才產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

例如:當(dāng)石英晶體受到沿x軸方向的力作用時(shí),在x方向產(chǎn)生壓電效應(yīng),而y、z方向則不產(chǎn)生壓電效應(yīng),當(dāng)石英晶體受到沿y軸方向的力作用時(shí),在x方向產(chǎn)生壓電效應(yīng),而y、z方向也不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。若受到沿z軸方向的力作用時(shí),是不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。因此又稱x軸為電軸,y軸為機(jī)械軸。利用石英晶體的壓電效應(yīng)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體時(shí),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(gè)方向上的折射率mo是相等的,而非尋常光在石英晶振,石英晶體的內(nèi)部各個(gè)方向的折射率n₀卻是不相等的。

例如:對(duì)于波長為5893A的光,石英晶體的n₀=1.54425,最大的n_e=1.5536。石英晶體雖然具有雙折射現(xiàn)象,但當(dāng)光沿z軸方向入射時(shí),不發(fā)生雙折射現(xiàn)象,所以又稱z軸為光軸石英晶體還具有旋光性。即平面偏振光(光振動(dòng)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(dòng)面卻較之原振動(dòng)面旋轉(zhuǎn)了一個(gè)角度。

圖1.3.1石英晶體的雙折射

石英晶體的光學(xué)性質(zhì)被應(yīng)用到制造各種光學(xué)儀器和石英片加工工藝中。

從六十年代起開展了石英晶體,SMD晶振元件輻射效應(yīng)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(duì)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(huì)變?yōu)闊熒?/span>,石英晶體元件被輻照后,會(huì)使頻率發(fā)生變化,穩(wěn)定性下降,等效電阻升高。

一般認(rèn)為,石英晶體被γ射線和高能粒子轟擊后,會(huì)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,首先要減少和消除有源恒溫晶振,差分晶振,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(shí)驗(yàn):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(shí)在負(fù)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就具有良好的抗輻射性能。