株式会社 村田制作所

首页 > 产品信息 > 水晶事业 > 人工水晶

人工水晶

人工水晶

人工水晶

东京电波于1977年建立人工水晶的培育工厂。于1994年采用独有技术成功开发出人工水晶制造高压炉 (白金炉) ,并实现了批量培育结晶缺陷极少的高品质水晶。作为水晶材料,用于各种水晶产品并被广泛使用。

up

关于人工水晶

人工水晶的历史

人工水晶的培育历史是自1905年意大利的George Spezia通过水热合成法培育出人工水晶开始的,日本则是从1953年在山梨大学开始研究的。之后,对被称为高压灭菌器的高温高压培育炉进行改良,提高培育技术,而人工水晶的工业化是自1959年,每台培育炉的产量达到7kg时开始的。

之后,随着技术的进步,可批量生产与天然水晶具备相同品质的人工水晶。随着高大型化温灭菌器的推进,1973年1m3以上容积的高温灭菌器面世,实现了真正的批量生产。现在还有容积超过4m3的高温灭菌器,每台可实现2吨 (2,000kg) 以上的产量。

人工水晶的特征

人工水晶的特征
一般性质
硬度 莫氏硬度7
比重 2.65×103kg/m3
折射率 (相对于波长589.3nm)
1.5443 (常光线)
1.5534 (异常光线)
结晶系 三方晶系
化学组成 Sio2
介电常数 4.5
转移温度 573℃
溶解性 溶解于氟化合物

人工水晶的特征

压电现象
水晶是压电结晶,因此对某个方向施加压力,就会产生电荷 (压电现象) 。并且对某个方向施加电场,就会产生变形 (逆压电效果) 。举例如下图,将与X轴 (电气轴) 垂直切出的水晶片用金属制的电极夹压,则产生如图所示的电荷。相反的,如图所示,施加电场,则水晶片往厚的方向收缩。

人工水晶的培育

人工水晶是利用水晶对碱性溶液的溶解度因温度的不同而异 (高温下溶解更多的水晶) ,在高温高压的环境下培育,即通过所谓的水热合成法培育而成的。

培育炉是被称为高温灭菌器的压力容器,其中填充着Na2CO3及NaOH等碱性溶液,使之升温并在超临界状态下培育出水晶。保持高温灭菌器上部温度比下部低,则在高温高压下溶解的原料通过溶液的对流,从下部移至上部,并通过提取晶种,培育出人工水晶。根据用途,调整培育条件、晶种的方位及尺寸,可培育出形状、尺寸及特性不同的人工水晶。在充分管理下培育而成的人工水晶,形状及尺寸均得到控制,并具有相同的品质。

晶种

晶种的方位是由晶体谐振器构成的经济效果而定的。
由Z切割与R切割晶种培育而成的人工水晶,可以制造出用于高频带域的厚度剪切振动及中频带域的轮廓振动的谐振器。
X轴旋转系的晶种可以用于使用低频带域伸缩振动及弯曲振动的晶体谐振器。培育而成的结晶晶种表面形成一层由异物构成的薄层,被称为籽晶罩,对结晶品质有极大影响。

人工水晶的品质评价

人工水晶的缺陷及不纯物量受成长速度、添加物、原料等影响。特别是成长速度会使红外吸收系数 (与α: Q值相关) 与频率温度特性这些人工水晶的重要特性受到影响。成长速度快,则α增加 (Q值降低) ,且频率温度特性会产生偏差。

初期的人工水晶品质指标是晶体谐振器的Q值,5次谐波5MHz谐振器不易受水晶片的保持及谐振器制造上诸多条件导致偏差影响,由于该Q值能够更正确反映人工水晶自身内部的损失而被采用。但是,该方法需要大直径的水晶片,且目标谐振器无法从Z领域制造。 由于测量谐振器制造的Q值,需要花费很多时间与劳力,因此现在采用测量红外吸收系数α后,推算Q值的方法。该方法具有可简单地测量微小领域及检测出成长变化的优点。

推算Q值C级以上的人工水晶显示出与优质天然水晶同等的频率温度特性,因此这样的结晶适用于高频带域的高质谐振器等。由于培育工程的条件,被管理的同一批次内α的偏差非常小,因此从特定制造的批次中抽取评价用的样品时,在批次内选择Z尺寸最大的水晶。其理α与成长速度比例变大,而Z尺寸最大的结晶在同一批次内其α为最大值 (Q值最低) 。

标准规格

种类 品名 尺寸 蚀刻通道
密度等级
∂3585
最大值
异物密度等级 方位
(θ)
X Z Y
±0.2 ±0.2 ±5
Z板 PB-18 9.0 18.0 200 1 0.050 II~ 0°00'
PB-19 9.5 19.0 200 1 0.050 II~ 0°00'
PB-20 10.5 20.0 200 1 0.050 II~ 0°00'
PB-23 23.5 18.0 185 1 0.050 II~ 0°00'
PB-31 31.0 18.0 185 1 0.050 II~ 0°00'
PB-38 65.0 38.0 185 1 0.050 II~ 0°00'
PB-41 65.0 41.0 185 1 0.050 II~ 0°00'
SB-02 53.0 46.0 200 1 0.050 II~ 0°00'
SB-03 76.0 65.0 220 1 0.069 II~ 0°00'
SB-04 100.0 85.0 240 1 0.069 II~ 0°00'

※我公司也接受上述标准规格以为的特殊订货。

角度 Z面的X轴旋转 0° 00' ±30'
X面的Y轴旋转 0° 00' ±15'
X面的Z轴旋转 0° 00' ±15'
精加工 #80以上的金刚石砂轮精加工
外观 不存在影响产品的裂纹、剥落、开裂。
变形 晶体中无变形。
双晶 不含电气及光学双晶。
变形 晶种内及晶种表面都无变形。培育后的晶体中也无变形。
外观 不存在影响产品的裂纹、剥落、开裂。
异物 Z区域中允许异物个数是IEC758JISC6704的下一个等级来区分的。
大小 (µm) → 各等级异物密度
等级↓ 10~30 30~70 70~100 100以上
I a 2 1 0 0
I b 3 2 1 1
I 6 4 2 2
II 9 5 4 3
III 12 8 6 4

红外吸收系数α

红外吸收系数α是以IEC758及JISC 6704的下一个等级来区分的。

等级↓ 各等级的最大值 推算Q值 (参考数值)
α3585 (X104)
Aa 0.015 380
A 0.024 300
B 0.050 240
C 0.069 180
D 0.100 140
E 0.160 100

蚀刻通道密度

蚀刻通道密度是以IEC758及JISC6704的下一个等级来区分的。

等级 通道数 (条/cm2)
1aa 2
1a 5
1 10
2 30
3 100
4 300

我公司的晶种品质保证所有品种的蚀刻通道密度等级为2。
此外,根据客户的购买规格,也可应对等级为1的品种。

晶种的方位、尺寸、位置

晶种的方位为0°00' ±15。此外,Z轴方向的尺寸为1.mm±0.5mm,晶种为如下图所示包含阴影区域。 (以Z轴方向的尺寸为中心,宽度为3mm以下)

晶种的方位、尺寸、位置
兰伯特人工水晶规格
角度
Z面的X轴旋转角度: 0°00' ±30'
X面的Y轴旋转角度: 0°00' ±15'
X面的Z轴旋转角度: 0°00' ±15'
尺寸公差 X,Z两轴方向都±0.1mm
表面粗糙度 十点平均粗糙度为12.5µm (#80钻石)

up

代表性人工水晶

SAW器件用人工水晶 (4英寸)

声表面波元件就是利用振动能量在压电体基板表面集中,并沿表面传播波动。

SAW器件用人工水晶 (4英寸)
SAW器件用原石品质
异物等级 II 以上
红外吸收系数 C以上
蚀刻通道 30条/m2

小型谐振器、滤波器用人工水晶

用于全密封的高可靠性小型晶体谐振器、滤波器等。

小型谐振器、滤波器用人工水晶
小型谐振器、滤波器用原石品质
异物等级 II 以上
红外吸收系数 B以上
蚀刻通道 30条/cm2

一般用人工水晶

用于汽车发动机控制、数控机床、机器人互动电视、传真等国内外其他领域的处理器。

一般用人工水晶
小型谐振器、滤波器用原石品质
SAW器件用原石品质
异物等级 II 以上
红外吸收系数 C以上
蚀刻通道 30条/cm2

up

坯料标准规格

  外形 厚度 表面精加工 主面 定向平面 轮廓
公差
±0.05
公差
±0.05
角度公差 寸法
公差 (h)
角度公差 精加工
圆板 Φ6.0 0.15‾ I・II ±15" ±0.2 ±15' #400
Φ8.0 0.15‾ I・II ±15" ±0.2 ±15' #400
Φ8.7 0.20‾ I・II ±15" ±0.2 ±15' #400
Φ79.0 0.50‾ I・II・III ±1' ±0.5 ±15' #400
Φ102.0 0.50‾ I・II・III ±1' ±0.5 ±15' #400
角板 9 x 9 0.15‾ I・II ±15" - - #240
10 x 10 0.15‾ I・II ±15" - - #240
12 x 12 0.15‾ I・II ±15" - - #240
80 x 80 0.50‾ I・II ±1' - - #240
102 x 102 0.50‾ I・II ±1' - - #240

※水晶素板的标准规格如上述内容所示,也有标准规格以外规格。

表面精加工

(I) : #1000 (II) : #2000 (III) : 抛光
厚度可影响频率。
定向平面尺寸公差h为高度方向的尺寸。

广告・影像・册子

首页 > 产品信息 > 水晶事业 > 人工水晶
A Murata Company