1 はじめに

 水晶は「産業の塩」とも言われるほど、電子機器には欠かせない物質である。温度安定性の高さから、多くの通信機器の周波数源として水晶振動子や水晶発振器などが使われている。また、その高い温度安定性は、センサーとしても利用価値が高く、QCM(Quartz Crystal Microbalance)や圧力センサー、ジャイロセンサーなどのセンサー素子にも水晶は用いられている。
 ここでは、水晶について説明した後に、水晶を用いたセンサーを紹介し、水晶を用いる利点や特徴を解説していく。

2 水晶とは

 水晶は無色透明で、圧電性を有する単結晶である。宝飾品としても用いられるが、圧電性を利用した工業用電子部品としても幅広く利用されている。以下に水晶の特徴について述べる。

2.1 水晶の結晶異方性 ^{1), 2)}

 図中のアルファベット2文字で表されているのがカット角の名称である。例えば、「AT」カットは通信向けのMHz帯の厚みすべり振動子として用いられている。このATカットは常温付近で共振周波数の温度特性がフラットになるゼロ温度係数をもった特徴あるカット角である。
 ここに図示されていないが、Z軸に垂直なXY面のウェハを「Zカット」と呼び、X軸あるいはY軸に垂直な面のウェハは「Xカット」、「Yカット」と呼ばれる。図中には「+2° X」などのように、座標軸に垂直な面からの回転角度で表されたものもある。Zカットを、X軸中心に+2° 回転させた「+2° X」は、音さ振動子など屈曲振動で共振周波数の温度特性が上に凸状の2次の温度特性をもち、常温付近に頂点温度をもたせたものである。
 この他にも、このような特徴のあるカット角が、水晶には20種類以上存在している。³⁾

2.2 圧電性

 水晶の大きな特徴であり工業的に多用される理由は、水晶がもつ圧電性にある。圧電性とは、圧電効果や逆圧電効果のことを指す。圧電効果とは、圧電性のある物質に圧縮力（あるいは伸張力）を加えることで、物質の表面にその力に応じた電荷が発生する現象のことである。それとは逆に、圧電性のある物質に電界を掛けると、物質に歪みが生じる現象のことを逆圧電効果と呼ぶ。圧電性をもった物質のことを圧電材料と呼び、水晶の他にも圧電結晶として、ニオブ酸リチウム(LiNbO₃)、タンタル酸リチウム(LiTaO₃)、ロッシェル塩などがある。また、圧電性をもった半導体材料やセラミックス、高分子材料などもある。圧電材料の詳細については専門書を参照することをお奨めする。⁴⁾
 水晶の圧電性は、1880年にP. CurieとJ. Curieの兄弟によって発見され、1922年にはW. G. Cadyによって水晶発振器が発明された。それ以降、水晶は通信機器の周波数源として欠かせないものとなっており、現在でもスマートフォンや多くの電子機器に幅広く利用されている材料である。

3 人工水晶

3.1 人工水晶の製造法

次回に続く－

【著者紹介】
佐藤　健二（さとう　けんじ）
セイコーエプソン株式会社　マイクロデバイス事業部 TD商品開発部