石英：学名二氧化硅

石英是自然界分布最广的物质之一。它有五种变体（β石英、α石英、α磷石英、方石英、溶炼石英），其中只有β石英才具有压电效应， 当施加压力在晶片表面时 , 它就会产生电气电位 , 相对的当电位加在芯片表面时 , 它就会产生变形或振动现象 , 掌握这种振动现象 , 控制其发生频率的快慢 , 以及精确程度 , 就是水晶振荡器的设计与应用。

石英晶体的性质

石英晶体的化学性质极为稳定，常温下不溶于盐酸、硝酸、硫酸等水和酸，只溶于氢氟酸。在加热时石英晶体能溶于碱溶液，这个特点成为人造水晶的基础。因此现在一般采用氟化氢氨对石英晶体进行腐蚀。

石英晶体的压电效应

石英材料中的二氧化硅分子在正常状态下，其电偶极是相互平衡的电中性。二氧化硅是以二维空间的简化图形。当我们在硅原子下方分别给予正电场及负电场时，空间系统为了维持两个氧原子会相互排斥，在氧原子下方形成一个感应正电场区域，同时在硅原子上方产生感应负电场区域。相反的情况，当我们在硅原子上方及氧原子下方分别给予负电场及正电场时，两个氧原子会相互靠近，氧原子下方产生感应负电场，硅原子上方产生感应正电场。然而，氧原子的水平位置变化时，邻近的另一个氧原子会相对的产生排斥或吸引的力量，迫使氧原子回到原来的空间位置。因此，电场的力量与原子之间的力量会相互牵动，电场的改变谁水平方向的形变是形成交互作用状态。这个交互作用会形成一个石英材料耗能最小的振动状态，只要由电场持续给予能量，石英材料就会与电场之间维持一个共振的频率。

压电效应下的氧原子的振幅与电场强度及电场对二氧化矽的向量角度有相对应的关系，在实际应用上，电场是由镀在石英晶片上的金属电极产生，电场与二氧化硅的向量角度则由石英晶棒的切割角度决定。

石英是由硅原子和氧原子组合而成的二氧化硅( Si02)，以32点群的六方晶系形成的单结晶结构、单结晶的石英晶体结构具有压电效应特性，当施加压力在晶体某些方向时，垂直施力的方向就会产生电气电位。相对的当以一个电场施加在石英晶体某些轴向时，在另一些方向就会产生变形或振动现象，掌握单结晶石英材料的这种压电效应，利用其发生共振频率的特性，发挥其精确程度作为各类型频率信号的参考基准，就是水晶振荡器的设计与应用。

因为石英晶体具有很高的材料Q值，所以绝大部份的频率控制元件，如石英晶体谐振器及石英晶体振荡器，都以石英材料为基础以石英。以石英为基础的频率控制元件可以依其压电振动的属性，可以分为体波(bulk wave)振动元件及表面声波(surface acoustic wave)振动元件。体波振动元件如石英晶体谐振器，石英晶体振荡器及石英晶体滤波器。当石英晶体以特定的切割方式，以机械加工方式予以表面研磨，完成特定的外型尺寸就是通称的石英晶片(quartz wafer或quartz blank)。将这个石英晶片放置在真空环境中，于表面镀上电极后，再以导电材料固定在金属或是陶瓷基座上，并加以封装，就成为一般所谓的石英晶体谐振器( quartz crystal resonator)。

利用石英晶体谐振器在共振时的低阻抗特性及波的重叠特性，用邻近的双电极，可以做出石英晶体滤波器。将石英晶体谐振器加上不同的电子振荡线路，可以做成不同特性的石英晶体振荡器，例如:压控晶体振荡器(Voltage Controlled Crystal Oscillator, VCXO),温度补偿石英晶体振荡器(Temperature Compensated Crystal Oscillator, TCXO），恒温槽控制石英晶体振荡器(Oven Controlled Crystal Oscillatory， OCXO)。

经由不同的石英切割角度及不同电极形状的电场效应, 石英晶片展现了各种不同的振动模态. 以经常产生的振动模态可以概分为扰曲模态(flexure mode), 伸缩模态(extension mode), 面剪切模态(face shear mode) 和 厚度剪切模态(thickness shear mode). 这几种振动模态以简单的方法在表一中可以看到. 在实际状况中, 石英晶片并不是一定只有单一种振动模态, 而可能有多种模态同时存在于一个石英晶片的振荡中, 经由适当的设计,可以压制其他不希望产生的振动模态(unwanted mode), 来达到主要振动模态最佳化化。

石英晶体温度特性

大部份的石英晶体产品是用於电子线路上的参考频率基准或频率控制元件, 所以,频率与工作环境温度的特性是一个很重要的参数. 事实上, 良好的频率与温度(frequency versus temperature)特性也是选用石英做为频率元件的主要因素之一. 经由适当的定义及设计, 石英晶体元件可以很容易的就满足到以百万分之一 (parts per million, ppm) 单位等级的频率误差范围. 若以离散电路方式将LCR零件组成高频振荡线路, 虽然也可以在小量生产规模达到所需要的参考频率信号误差在ppm或sub-ppm等级要求, 可是这种方式无法满足产业要达到的量产规模. 石英元件的频率对温度特性更是离散振荡线路无法简易达成的. 在(图四) 中提供了数种不同的石英晶体切割角度的频率对温度特性曲线。

石英晶体振动模式

经由不同的石英切割角度及不同电极形状的电场效应, 石英晶片展现了各种不同的振动模态. 以经常产生的振动模态可以概分为扰曲模态(flexure mode), 伸缩模态(extension mode), 面剪切模态(face shear mode) 和 厚度剪切模态(thickness shear mode). 这几种振动模态以简单的方法在表一中可以看到. 在实际状况中, 石英晶片并不是一定祇有单一种振动模态, 而可能有多种模态同时存在于一个石英晶片的振荡中, 经由适当的设计,可以压制其他不希望产生的振动模态(unwanted mode), 来达到主要振动模态最佳化化。

石英晶体谐振器工作原理

如果把交变电压施加于石英晶片两个电极之间，当交变电压的频率与石英晶片固有振动频率一致时，通过逆压电效应，晶片便产生机械振动。同时又通过正压电效应而输出电信号。