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石英晶體的雙折射以及導熱系數

來源://www.dxryrw.com.cn 作者:康華爾 2018年01月20
  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。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。這個特點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。
  石英晶振是一種良好的絕熱材料,導熱系數比較小(見表1.3.1)
表1.3.1石英晶體的導熱系數

溫度(℃) K3×10-3(cal/cm·s:℃) K1×103( cal/cm.s℃)
-200 接近150 66
-150 74 36
-100 52 26
-50 40 20.5
0 32 17.0
50 25.5 14.9
100 21 13.1
  室溫附近,沿z軸方向的導熱系數是沿垂直于z軸方向導熱系數的二倍左右與z軸成q角的任一方向的導熱系數可由下式求得(1.3.1)
Kφ=K3cos²φ+K1sin²φ,其中K1是垂直于Z軸的導熱系數,K3是平行于z軸的導熱系數石英晶體諧振器的膨脹系數也很小,且沿z軸方向的線膨脹系數a3約為沿垂直于z軸方向線膨脹系數a1的1/2(見表1.3.2)。
表1.3.2石英晶體的線膨脹系數值

溫度(℃) a1×10-6/℃ a3×10-6/℃
-250 8.60 4.10
-200 9.90 5.50
-100 11.82 6.08
0 13.24 7.10
100 14.45 7.97
200 15.61 8.75
300 16.89 9.60
400 18.5 10.65
500 20.91 12.22
   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arar=2a1+a3  (1.3.4)
  由于石英晶體的熱膨脹系數較小,因此可用于精密儀器中。但當它被加熱時, 體膨脹系數會發生很大變化。在溫度達573℃時,石英晶體由a石英晶體轉變為B石英,體積急劇增大。石英晶體內部產生的較強的機械應力可能會造成裂隙和雙晶,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為絕對溫度,e為自然對數的底,A等于1.15×104B為相應的常數。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值除與晶體結構有關外,還與沿z軸方向孔道中堿金屬雜質(K+、Na+)的存在有關。表1.3.3列出了石英晶體、貼片晶振以及有源晶振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)

溫度(℃) 平行于z軸的p 垂直于z軸的p
20 0.1×1015 20×1015
100 0.8×1012  
200 70×1018  
300 60×106  
  石英晶體介電常數(描述材料介電性質的量,是電位移D與電場強度E的一個比例系數)的各向異性不很明顯,平行于z軸的介電常數ε3=4.6,垂直于z軸的介電常數ε1=4.5。
  在電場作用下,電介質發熱而消耗的能量叫介質損耗,通常以損耗角的正切值(tg6)來表示其損耗的大小。石英晶體的介質損耗較小,tg6<2×10-4因此用它作電氣材料具有高穩定性。
  石英晶體雖不像諸如彈簧、橡皮筋那樣的物體,振動日時能看到明顯地形變,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。當然,石英晶體的形變更復雜些,描述更困難些,這將在第二章中進一步講述。
  某些電介質由于外界的機械作用(如壓縮、拉伸等)而在其內部發生變化產生表面電荷,這種現象叫壓電效應。具有壓電效應的電介質也存在逆壓電效應,即如果將具有壓電效應的介質置于外電場中,由于電場的作用,會引起介質內部正負電荷中心位移,而這位移又導致介質發生形變,這種效應稱為逆壓電效應。
  正像某些其它晶體(如酒石酸鉀鈉KNaC4H4O6.4H2O、鈦酸鋇 BaTio3等等)那樣,石英晶體、貼片晶振也具有壓電效應。由于其結構的特殊性,不是任何方向都存在壓電效應的,只有在某些方向,某些力的作用下才產生壓電效應。例如:當石英晶體受到沿x軸方向的力作用時,在x方向產生壓電效應,而y、z方向則不產生
  壓電效應,當石英晶體受到沿y軸方向的力作用時,在x方向產生壓電效應,而y、z方向也不產生壓電效應。若受到沿z軸方向的力作用時,是不產生壓電效應。因此又稱x軸為電軸,y軸為機械軸。利用石英晶體的壓電效應可制造多種高穩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(如方解石CaCO3、硝酸鈉NaNO3晶體等)那樣具有雙折射現象,即一束光射入石英晶體時,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部各個方向上的折射率mo是相等的,而非尋常光在石英晶體的內部各個方向的折射率n0卻是不相等的。例如:對于波長為5893A的光,石英晶體的n0=1.54425,最大的ne=1.5536。石英晶體雖然具有雙折射現象,但當光沿z軸方向入射時,不發生雙折射現象,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,但其振動面卻較之原振動面旋轉了一個角度。

圖1.3.1石英晶體的雙折射
  石英晶體的光學性質被應用到制造各種光學儀器和石英片加工工藝中。
從六十年代起開展了石英晶體元件輻射效應的研究工作,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放射線照射后會變為煙色,石英晶體元件被輻照后,會使頻率發生變化,穩定性下降,等效電阻升高。
  一般認為,石英晶體被γ射線和高能粒子轟擊后,會產生結構空穴和色心,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,首先要減少和消除石英晶體中的上述雜質。一方面選擇最佳籽晶和
  生長條件;另一方面可使用“電清除”的方法驅逐晶體中的雜質。有人做過這樣的實驗: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,這時在負極表面出現由堿金屬雜質形成的乳白色薄層。顯然,這是一種高溫、高壓排除晶體中金屬離子等雜質的工藝過程。經過這種“電清除”的人造石英晶體制成的石英晶體元件,溫補晶振,壓控晶振等所有石英晶體器件具有良好的抗輻射性能。
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