石英晶体器件概述：从原料到振荡器

石英晶体器件概述：从原料到振荡器
石英晶体器件的使用是如何开始的？早在1880年居里兄弟（Pierre and Jacques Paul Currie）发现了石英晶体的压电效应。在1917年，P. Langevin教授使用一些X切的石英晶片来产生并探测水中的声波。他的目的是为了提供一种探测潜艇的方法，并且他的研究引导了声纳的发展。今天，这种技术仍然被用于超声波成像。
1923年，哈佛大学的G. W. Pierce证明，带一组电极的石英晶片能够被用来控制振荡器电路和单极电子管的频率。因此，相比于其他类型的振荡电路而言，皮尔斯振荡电路被用于更多的振荡器中。在20世纪20年代和30年代，主要应用在业余无线电装置。
Galvin Mfg公司（今天的Motolola公司的前身）的Dan Nobel通过大量的工作来证明晶体控制是影响双路无线电通信的基础。最初应用于警用无线电通信。随后，在1939年，晶体控制器被大规模的用于美国军队无线通信系统中。在1943年期间，为了支持二次大战，大约有130制造商使用天然石英来生产晶体元件。
战后，随着石英晶体器件的需求急剧下降，在短短的几个月内，生产厂家减少到不到50家。朝鲜战争刺激了新的增长，但在战争结束后再次下降。
由于天然的石英含有大量的杂质，因此并不是十分适合做成电子器件。随后人们发现，天然石英在高压釜中溶解并进行重组，就可以生产出纯净的石英，即人造石英。在无线网络市场猛增的今天，这个发现使得石英器件成为频率控制的关键因素。图1.天然的石英晶体
石英的一些优点：
压电效应：将压应力施加于石英材料引起相应的电势（piezein在希腊语中表示“施加压力” ）。相反，在石英片上下表面中形成一个电势差能够引起晶片振动。通过控制材料的几何形状，能够控制晶片的振动速率或频率。温度系数低：在变化的温度环境下，石英晶体特性十分稳定。温度系数规定为超过在工作温度范围仅改变百万分之一的单位（例如：±50ppm）。
低损耗（高Q值）：石英晶体展现了卓越的老化滞后现象。换句话来说，随着时间的增长，产品仍可以稳定工作，通常规定如：五年后为10MHz ±50ppm。
牵引度：石英晶体有一定的牵引度范围。可以仅仅通过改变振荡电路的电容负载使振荡频率发生变化。
自然界产量丰富：在地壳中最常见的矿物中，石英晶体位居第二，长石位居第一。开采的材料被称为石英原矿，可以在近地壳表面找到。
能够再生：石英晶体可以进行人工合成。石英原矿在高压釜中经过加工，生长成高纯度和完美的石英晶体条。
重复处理技术：先进的制造技术及严格的误差控制确保极高的精度。
硬而不脆：这种材料的独特性在于，它是如此之硬从而可以进行加工，然而又不脆。这使得石英晶体有卓越的防冲击及振动能力。
从矿石到仪器
晶体的生长：人造石英的生长从石英原矿放入高压釜中开始。随后，籽晶被吸附到装入高压釜中的生长基上。放入碱性溶液，密封容器并且打开电源。通过恒定的温度控制石英原矿的溶解及籽晶的吸附。大约100到150天左右（由形成何种类型的石英晶体决定），打开容器并且取走人造石英棒。
切角：石英棒的特定切角根据石英晶体的特性需求来决定的（图3）。使用高精度的X光定向设备能够确保切角的精确。将晶片分批打磨，可以制成预先设定的形状。
精确的晶片加工：为了确保特定厚度，表面平滑，光滑度及平行度，晶片必须进行处理。首先进行研磨，随后抛光，蚀刻及清洗。最后，通过气相蒸发过程将电极粘附在晶片上。