Главная  Пьезоэлектрический резонатор 

[0] [1] [ 2 ] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38]

чием правых и левых форм, т. е. с особое -гюые образую ческой решежп кварца. -

Условные обозначения срезов для правых и левых iy. кварца устанавливаются общие при расположении кристаллогра фических осей согласно рис. 1.4. Как для правых, так и для левы кристаллов применяется правая прямоугольная система координат

Свойства кристалла кварца. Как известно, кристалл кварц является анизотропным веществом. Это значит, что его свойств в различных направлениях одинаковы. Ось Z или оптическая ос является осью симметрии третьего порядка. Это означает, ч свойства кристалла, измеренные по одному из выбранных направлений, повторяются при повороте кристалла на 120° относительно оси Z.

В зависимости от принадлежности к разным классам симметрии кристаллы имеют различное число основных упругих, диэлектрических и пьезоэлектрических постоянных. Так как пьезокрис-талл является электромеханическим преобразователем, то его постоянные меняются в зависимости от приложенной к кристаллу механичеакой нагрузки.

Кристалл кварца обладает следующими физическими свойствами:

Плотность.............. 2,65 г/см

Твердость (по шкале твердости Мооса)......7

Температура плавления........... 1710°С

Удельное электрическое сопротивление при температуре 20° С, измеренное:

параллельно оси 2 . . . . ,У......0,1 lO Ом/см

перпендикулярно оси 2 f......20-10Ом/см

Сопротивление раздавливанию . /.......3-4 ГПа

Сопротивление разрыву...........100 МПа

Коэффициент теплового объемного расширения . . . . 30-10-* Коэффициент теплового линейного расширения:

параллельно оси 1 . . . . . . . . . . . 9-10-

перпендикулярно оси Z ..........14,8-10-

Диэлектрическая проницаемость в направлении:

параллельном оси Z..........4,6

перпендикулярном оси 2.........4,5

Известно, что твердый минерал может нанести царапины на бшее мягком минерале. В щкале твердости минералов Мооса в числе 10 минералов, расположенных в порядке возрастания их относительной твердости, каждый Последующий минерал может нанести царапину на предыдущем. В табл. 1.1 эти 10 минералов отмечены звездочкой.

Удельное электрическое сопротивление кварца быстро падает с увеличением температуры. Диэлектричеокая постоянная кварца е мало ззвиоит от внещних условий. При изменении температуры от О до 100°С можно считать диэлектричеакую проницаемость постоянной. Она не зависит от напряженности поля вплоть до 2000 В/см. Кварц химически устойчив, он не растворяется в кислотах, за исключением плавиковой кислоты (HF). Наиболее ценным свойством кварца для радиотехники является его упру-!4


направлений-

Таблица 1.1

пьезоэл-

. ,.,.-лерал

Относительная тве -рдость

.инef)гЛ

Относительная твердость

Тальк * Свинец

Сегнетова соль * Медь Кальцит * Латунь Доломит флюорит *

Фосфористая бронза Железо

И/2 2

3 - 4 3v2-4

4 - 5

Стекло .Апатит* Полевой шпат * Гранат Кварц * Сталь Топаз * Коруид * Карборунд Алмаз *

5 6 7 7

5v2-8VS, 8 9

гость, амплитуда упругих колебаний кварца соответствует значению -переменного напряжения, возникающего в кристалле.

Природные кристаллы кварца часто имеют форму, лищь приближенно напоминающую идеальную. На рис. 1.6 изображен такой кристалл кварца с двумя усеченными верщинами, образую щнми форму пинакоида. На этом рисунке О - грань, называемая-базисом; р - грань, называемая правой тригональной призмой; I - грань, называемая левой тригональной призмой. Этих граней практически нет во внешней форме естественного асристалла кварца, онн получаются в .виде плоскостей XY и YZ во время разделки кристалла.

1.2. ДЕФЕКТЫ В КРИСТАЛЛАХ КВАРЦА

Рис. 1.6. Кристалл кварца с гранями пинакоида

Для получения пьезоэлемент-ов, используемых в радиотехнике, пригодны кристаллы горного хрусталя, раухтопаза и -мориона, а также обломки юри-сталлов. В них должны отсутствовать трещины, инородные включения, двойники. Однако бездефектная область кристалла ,кварца (монообласть) обыч)но весьма невшика.

В природе редко встречаются .кристаллы кварца без дефектов. При разделке кварцевого сырья приходится сталкиваться с различными дефектами. Эти дефекты чаще всего располагаются по всему кристаллу кварца, иногда они сосредоточены в какой-либо его части.

Наиболее часто встречающимися дефектами кристаллов кварца являются различные включения инородных тел, трещины, пузырьки газа или жидкости, фантомы, свили, «голубые лучи»,

ДВОЙННКИ.

Фантомы (призраки) нарушают структуру кристалла кварца, образование их в кристаллах -кварца объясняется перерывом в росте, обусловленным стихийными причинами в процессе кристаллизации. Вокруг уже образовавшегося кристалла кварца после



перерыва продолжается дальнейший процс. i... засоренных гранях. Ф "

Свили - слоистые образова1ния, которые появляются вследствие изменения условий кристаллизации в процессе роста.

«Голубые лучи» - это включения в кристалле кварца рутила ~ двуокиси титана (ТЮг). Титан кристаллизуется в виде длинных игл, поглощающих все цвета спектра, кроме голубого, откуда и нрОИсходит это название. В кристалле они встречаются попарно н расположены под углом 45° друг к другу.

Часто встречающимся дефектом в кристалле кварца и пластинах являются двойники, !как естественно образовавшиеся, так •и получившиеся в процессе производства вследствие случайного нагрева на каком-либо этапе до температуры выше 573°С. В природе двойники представляют собой сросшиеся кристаллы (два или 1 больше). В кристаллах кварца с двойниками кристаллографиче- ские оси расположены различно в связи с разным структурным расположением атомов в иристалличеокой решетке. Двойники имеются почти в любом кристалле кварца, за.хватывая большую или меньшую его область. Области кристаллов кварца, содержащие двойники, не могут быть использованы для распиловки на срезы для пьеэоэлементов.

Различают двойники: от срастания кристаллов кварца, элек.-тричеокие (или дофинейские), оптические (или бразильские).

На рис. 1.7 показана друза кристаллов иварца, сросшихся между собой в самых разнообразных положениях, вследствие чего области кварца, годные для изготовления пьезоэлементов, ограничены.

При электрнчеоком двойниковании сросшаяся часть правого или левого кристалла кварца повернута на 180° относительно другой его части. Граница спаянности очень четко выявляется после длительного травления (до 1 ч) кристалла с электрическим двойником в плавиковой кислоте (HF), та-к как при этом одна часть его кажется матовой, а другая -• зеркальной. Так легко выявляется область электричеокото двойникования. На границе сращения элементов кристалла кварца с электрическим двойником заряд, образуемый при пьезоэффекте, меняется на противоположный.

При оптичесжом двойниковании часть элементов правого кристалла (кварца сращена с частью элементов левого кристалла. И, здесь граница сращения хорошо видна после травления кристаллов в плавиковой кислоте.

. Большинство кристаллов кварца являются оптическими двойниками, т. е. обладают как право-, так и левавращ1ающимися областями. Границы сращения электрических двойников имеют неправильную форму. Оптические двойники образуют фигуры с прямыми границами. Кристалл кварца обладает одинаковыми упругими свойствами во всех точках, но обе части пластины с такими дефектами будут стремиться расширяться и сокращаться в противоположных фазах.



Рис. 1.7. Друза кристаллов квар- Рис. 1.8. Расположение атомов

ца кремния в кристалле кварца с

двойником (а) (двойниковая область показана читри.ховой •линией); структура а-кварца (б) и монокристалла р-квар-ца (в)

Двойники И другие дефекты можно наблюдать, направляя пучок света на кристалл кварца, предварительно помещенный в сосуд с -иммерсионной жидкостью, показатель преломления которой

такой же, как у кварца.

Крупные кристаллы природного кварца имеют значительные участки с двойниками, причем чаще встречаются дофинейские двойники. Академик А. В. Шубников иокусственно получил дофинейские двойники, подвергнув кристаллы кварца высокому давлению, в результате которого произошло смещение кремнекнсло-родных тетраэдров. Так как кристаллы кварца с дофинейскими двойниками непригодны как -кварцевое сырье, практическое значение имеет процесс превращения двойниковой области в монокристаллическую. Метод раздвойникования -кристалла кварца был предложен академик-ом А. В. Шубниковьгм и Е. В. Цинзерлин-гом. Он за-ключается в нагревании области кварца с двойниками до температуры, превышающей точку полиморфного превращения -ниэк-отемпературной модификации р-кварца -в высокотемпературную, т. е. акварц (-)-573°С), с многократны-м переходо-м через эту точку в ту и другую сторону и -последующим о.хлаждением. Происходящее и в этом случае перераспределение кремнекисло-Родных тетраэдров схематически показано на рис. 1.8,а (точками отмечены атомы Si) [14]. На рис. 1.8,6 изображена структура



а-кварца, получающегося при нагревавии!,.ака в «-оисталл кварца. На рис. 1.8,6 представлен монокристаллио."-и охлаждения высоиотемиературного кристалла а-кварца. В .;и.оя-щее время этот метод на практике не применяется. Больще nepc-j пектин имеют опыты на кристаллах кварца по использованик; винтовых деформаций для превращения двойников в монокрис таллы.

1.3. МЕСТОРОЖДЕНИЯ КРИСТАЛЛОВ КВАРЦА

Существуют три главных типа месторождений кварца.

1. Месторождения в пегматитах. Пегматит - это крупнокристаллическая порода кислого состава, встречающаяся вблизи гранитных массивов. Кварц располагается здесь в полостях и зано-рыщах, образуя отдельные кристаллы и группы сросшихся кристаллов (друзы). Обычно кварц, добываемый из месторождений этого типа, бывает непригоден для пьезокварцевого производства.

В СССР хрусталеносные пегматиты имеются в Житомирской области вблизи г. Володарск-Волынского.

2. Хрусталеносные кварцевые жилы (рис. 1.9). В этих жилах встречаются гнезда, погреба с крупными кристалламИ различных разновидностей кварца. Чаще всего гнезда кварца располагаются на выклинивании таких жил по падению (в глубину) или по простиранию (на концах), гщкш полости и погреба образовывались при вымывании вещества жилы. Впоследствии кристаллы кварца росли за счет привноса кремнезема из боковых пород.

Хрусталеносные жилы дают много высококачественных крис-.таллов.


Х:гггА Измененная У-/Л вмещающая порода

Ю Мс!ссивный I/ шеотовать/и нварц

г--I Иришаплы нварца Рис. 1.9. Хрусталеносная кварцевая жила

Крупдейщие . .ождеиия кристаллов кварца этого типа на-;?,чв7ся,ла=й-ФР на Северном, Приполярном и Южном Урале, а Tanv/.-i-Казахстане и на Памире, за рубежом - в Бразилии.

На Урале было обнаружено уникальное месторождение кристаллов-великанов. Извлечено семейство из двадцати прозрачных кристаллов общей массой более 9000 кг. Среди них кристалл с правильной вершиной высотой 172 см и шириной 70 см, массой 784 кг. До сих пор наибольшим известным кристаллом кварца был кристалл, хранящийся в США, высотой 200 см и шириной 40 см.

3. Хрусталеносные россыпи. Они образуются при разрушении хрусталенооных пегматитов и жил реками. При этом происходит природное обогащение, так как трещиноватые кристаллы кварца при переносе реками раскалываются и распыляются, а монолитные кристаллы откладываются обычно неподалеку от коренных месторождений. Поэтому по единичным кристаллам кварца можно найти коренное месторождение. Россыпи кварца бывают обычно небольших размеров.

Экоп ер им витально установлено, что прозрачные кристаллы природного кварца, полученные из месторождений Памира и Полярного Урала, обладают на1ивысшей стабильностью физических свойств, и желательно их применение при изготовлении прецизионных кварцевых резонаторов для эталонов частоты [3].

Большое значение для кварцевой промышлениости имеют искусственно .выращиваемые кварцевые кристаллы.

1.4. ИСКУССТВЕННЫЕ КРИСТАЛЛЫ КВАРЦА

До последнего времени все промышленные кристаллы кварца добывались из естественных месторождений. Хотя кварц и является самым распространенным минералом на земле, тем не менее кристаллы больших размеров, обладающие необходимыми качествами, добывались в недостаточном количестве. Длительное время ученые всех стран работали над проблемой выращивания ис-, кусственных кристаллов кварца. Эти усилия увенчались успехом. Сейчас иокусствеиные кристаллы кварца можно выращивать в виде мои окр иста л лов различной ориентации и заданных размеров. Это позволяет уменьшить расход кварцевого сырья и сократить технологичесиий цикл производства пьеэокварцевьгх резонаторов. Иокусствеиные кристаллы кварца значительно дешевле природных. В нашей стране высококачественное искусственное кварцевое сырье получают в необходимых для промышленности количествах -и нужной сортности. Хотя все методы по выращиванию искусственных кристаллов, применяемые в настоящее время, в принципе сходны между собой, все же есть определенные отличия ,их друг от друга, влияющие на свойства получаемых кристаллов.

Существующие способы выращивания кристаллов кварца основаны на гидротермических процессах. Различны лишь приме-



[0] [1] [ 2 ] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] [26] [27] [28] [29] [30] [31] [32] [33] [34] [35] [36] [37] [38]

0.0008