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石英因粒度、顏色、包裹體等的不同而有許多變種。無色透明的石英稱為水晶,紫色水晶俗稱紫晶,煙黃色、煙褐色至近黑色的俗稱茶晶、煙晶或墨晶,玫瑰紅色的俗稱芙蓉石;呈腎狀、鐘乳狀的隱晶質(zhì)石英稱石髓,具不同顏色同心條帶構(gòu)造的晶腺叫瑪瑙,瑪瑙晶腺內(nèi)部有明顯可見的液態(tài)包裹體的俗稱瑪瑙水膽,細(xì)粒微晶組成的灰色至黑色隱晶質(zhì)石英稱燧石,俗稱火石。石英的用途很廣。無裂隙、無缺陷的水晶單晶用作壓電材料,來制造石英諧振器和濾波器。一般石英可以作為玻璃原料,紫色、粉色的石英和瑪瑙還可作雕刻工藝美術(shù)的原料。

石英是最重要的造巖礦物之一,在火成巖、沉積巖、變質(zhì)巖中均有廣泛分布。巴西是世界著名的水晶出產(chǎn)國,曾發(fā)現(xiàn)直徑2.5米、高5米、重達(dá)40余噸的水晶晶體。

晶系:六方晶系

晶體:等軸狀、柱狀、六方雙錐面形

集合體型態(tài):塊狀、粗粒狀、鐘乳狀、結(jié)核狀

硬度:摩氏硬度為7

解理/斷口:貝殼狀斷口

光澤:玻璃光澤

顏色:無、白,帶有點(diǎn)灰、黃到橙黃、紫、深紫、粉紅、灰褐、褐、黑

條痕:白色

比重:2.65 ~ 2.66

其他:

1、具脆性

2、具有熱電性

3、折射率 1.533 ~ 1.541,雙折射率差 0.009,色散 0.013

4、石英具有強(qiáng)烈的壓電性(Piezoelectric property),即用力敲擊摩擦?xí)r會產(chǎn)生火花,這也就是燧石取火的方法。

5、石英內(nèi)常見的包裹體有:發(fā)晶(Hair crystal)-主要是金紅石;草入水晶-主要為電氣石;水膽水晶-石英中有液態(tài)包裹體;青石英-內(nèi)含淺藍(lán)色金紅石針狀物;乳石英-由細(xì)水孔洞引起混濁狀;綠石英-由板狀或碎片狀的綠泥石組成,有時(shí)可能是綠色針狀的陽起石;砂金石(Aventurine)-石英巖內(nèi)部含有綠色或紅褐色的云母細(xì)片,又名耀石英,俗稱東陵石。常見煙黑色至暗褐色的煙水晶,主要是這些巖類含有較多量具有放射性之鈾、釷元素的關(guān)系。

石英晶體是一種重要的電子材料。沿一定方向切割的石英晶片,當(dāng)受到機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)將產(chǎn)生與應(yīng)力成正比的電場或電荷,這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之,當(dāng)石英晶片受到電場作用時(shí)將產(chǎn)生與電場成正比的應(yīng)變,這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。正、逆兩種效應(yīng)合稱為壓電效應(yīng)。石英晶體不僅具有壓電效應(yīng),而且還具有優(yōu)良的機(jī)械特性、電學(xué)特性和溫度特性。用它設(shè)計(jì)制作的諧振器、振蕩器和濾波器等,在穩(wěn)頻和選頻方面都有突出的優(yōu)點(diǎn)。

常規(guī)指標(biāo)

·標(biāo)稱頻率:晶體元件規(guī)范所指定的頻率。

·調(diào)整頻差:基準(zhǔn)溫度時(shí),工作頻率相對于標(biāo)稱頻率的最大允許偏離。常用ppm(1/10)表示。

·溫度頻差:在整個(gè)溫度范圍內(nèi)工作頻率相對于基準(zhǔn)溫度時(shí)工作頻率的允許偏離。常用ppm(1/10)表示。

·諧振電阻(Rr):晶體元件在串聯(lián)諧振頻率Fr時(shí)的電阻值。

·負(fù)載電容(CL): 與晶體元件一起決定負(fù)載諧振頻率FL的有效外界電容

·靜態(tài)電容(C0)

等效電路靜態(tài)臂里的電容。它的大小主要取決于電極面積、晶片厚度和晶片加工工藝。它的常用計(jì)算公式為:

C0=KC0×Ae×F0+C常數(shù)

KC0——電容常數(shù),其取值與裝架形式、晶片形狀有關(guān);

Ae——電極面積,單位mm;

F0——標(biāo)稱頻率,單位KHz;

C常數(shù)——常數(shù),單位pF;

·動(dòng)態(tài)電容(C1)

等效電路中動(dòng)態(tài)臂里的電容。它的大小主要取決于電極面積,另外還和晶片平行度、微調(diào)量的大小有關(guān)。它的常用公式為:

C1=KC1×Ae×F0+C常數(shù)

KC1——電容常數(shù);

Ae——電極面積,單位mm;

F0——標(biāo)稱頻率,單位KHz;

C常數(shù)——常數(shù),單位pF;

·動(dòng)態(tài)電感(L1)

等效電路中動(dòng)態(tài)臂里的電感。動(dòng)態(tài)電感與動(dòng)態(tài)電容是一對相關(guān)量,它的常用公式為:

L1=1/(2πF0)2C1 (mH)

·串聯(lián)諧振頻率(Fr)

晶體元件電氣阻抗為電阻性的兩個(gè)頻率中較低的一個(gè)。

·負(fù)載諧振頻率(FL)

晶體元件與一負(fù)載電容串聯(lián)或并聯(lián),其組合阻抗為電阻性的兩個(gè)頻率中的一個(gè)頻率。

·品質(zhì)因數(shù)(Q)

品質(zhì)因數(shù)又稱機(jī)械Q值,它是反映諧振器性能好壞的重要參數(shù),它與L1和C1有如下關(guān)系

Q=wL1/Rr=1/wRrC1

如上式,R1越大,Q值越低,功率耗散越大,而且還會導(dǎo)致頻率不穩(wěn)定。反之Q值越高,頻率越穩(wěn)定。

·相對負(fù)載頻率偏置(DL)

晶體負(fù)載諧振頻率相對于串聯(lián)諧振頻率的變化量DL=(FL-Fr)/Fr,可由下式近似計(jì)算:

DL≈C1/2(C0+CL)

·相對頻率牽引范圍(DL1,L2)

晶體在兩個(gè)固定負(fù)載間的頻率變化量。

D(L1,L2)=│(FL1-FL2)/Fr│=│C1(CL2-CL1)/2(C0+CL1)(C0+CL2)│

·牽引靈敏度(TS)

晶體頻率在一固定負(fù)載下的變化率 。

TS≈-C1 *1000/2*(C0+CL)2

·激勵(lì)電平相關(guān)性(DLD)

由于壓電效應(yīng),激勵(lì)電平強(qiáng)迫諧振子產(chǎn)生機(jī)械振蕩,在這個(gè)過程中,加速度功轉(zhuǎn)化為動(dòng)能和彈性能,功耗轉(zhuǎn)化為熱。后者的轉(zhuǎn)換是由于石英諧振子的內(nèi)部和外部的摩擦所造成的。

摩擦損耗與振動(dòng)質(zhì)點(diǎn)的速度有關(guān),當(dāng)震蕩不再是線性的,或當(dāng)石英振子內(nèi)部或其表面及安裝點(diǎn)的拉伸或應(yīng)變、位移或加速度達(dá)到臨界時(shí),摩擦損耗將增加。因而引起頻率和電阻的變化。

加工過程中造成DLD不良的主要原因

——諧振子表面存在微粒污染。主要產(chǎn)生原因?yàn)樯�產(chǎn)環(huán)境不潔凈或非法接觸晶片表面;

——諧振子的機(jī)械損傷。主要產(chǎn)生原因?yàn)檠心ミ^程中產(chǎn)生的劃痕。

——電極中存在微�；蜚y球。主要產(chǎn)生原因?yàn)檎婵帐也粷崈艉湾兡に俾什缓线m。

——裝架是電極接觸不良;

——支架、電極和石英片之間存在機(jī)械應(yīng)力。

折疊寄生響應(yīng)
所有晶體元件除了主響應(yīng)(需要的頻率)之外,還有其它的頻率響應(yīng)。減弱寄生響應(yīng)的辦法是改變晶片的幾何尺寸、電極,以及晶片加工工藝,但是同時(shí)會改變晶體的動(dòng)、靜態(tài)參數(shù)。

·寄生響應(yīng)的測量

1、SPDB 用DB表示Fr的幅度與最大寄生幅度的差值;

2、SPUR在最大寄生處的電阻;

3、SPFR 最小電阻寄生與諧振頻率的距離,用Hz或ppm表示。