关于石英晶振针式传感器的机理研究结论与报告

来源：金洛鑫浏览：- 发布日期：2018-03-24 17:16:21【大中小】

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晶振虽然只是小小一颗电子元器件，但要合格的制造一颗完美的石英晶体谐振器过程非常复杂，光是生产工序就多达三十几道，为了研究贴片晶振和插件晶振的特性，相关技术就更多了，例如前面介绍过的频率微调加工技术，系统测试，频标概念，等效电路与压电效应等。

石英晶振主要用在电路中作稳频元件。为了克服传统的扫描探针显微镜在应用中的不足,本文采用石英晶振作为微力传感器来取代传统的微悬臂和位移检测装置。而石英晶振有两个优点：

1、压电效应,从而使石英晶体免去了中间转化环节,形成一个独立的直接和即时的微力测量单元。

2、空气中极高的品质因素,从而使最小可测力梯度减小,传感器的灵敏度提高。

晶振作为测量元件的物理特性研究：

石英晶体是六棱柱而两端呈角锥形的结晶体,其化学成分是Si02,下图所示是石英晶体谐振器的坐标轴系：

通常将通过两顶端的轴线称为光轴(Z轴),与光轴垂直又通过贴片石英晶振切面的六个角的三条轴线称为电轴(X轴),与光轴垂直又和晶体横切面六边形的六个边垂直的三条轴线称为机械轴(Y轴),X轴、Y轴、Z轴统称为晶体的坐标轴系。在同一方向上,晶体的性质是完全相同的。

石英晶体是一种各向异性的贴片晶振,它具有正压电效应。沿某一机械轴或者电轴施加压力,则在垂直于这些轴的两个表面上就产生了异号电荷,其值与机械压力产生的机械形变成正比,若施以张力,则表面上的电荷与受压时的符号相反。造成这种结果的原因是晶体的晶格在压力下变形,导致电荷分布不均匀。石英晶体还具有逆压电效应,如果在石英晶体两个面之间加一电场,则晶体在电轴或机械轴方向上就会延伸或压缩,延伸或压缩量与电场强度成正比。

如果将石英晶体置于交变电场中,则在电场的作用下,晶体的体积会发生周期性的压缩或拉伸的变化,这样就形成了晶体的机械振动,晶体的振动频率应等于交变电场的频率,在电路中也就是驱动电源的频率。当晶体振动时,在它的两表面产生交变电荷,结果在电路中出现了交变电流,这样压电效应使得SMD晶振具有了导电性,可以视之为一个电路元件。石英晶体本身还具有固有振动频率,此振动频率决定于晶体的几何尺寸、密度、弹性和泛音次数,当晶体的固有振动频率和加于其上的交变电场的频率相同时,晶体就会发生谐振,此时振动的幅值最大,同时压电效应在晶体表面产生的电荷数量和压电电导性也达最大,这样晶体的机械振动与外面的电场形成电压谐振,这就是石英晶体作为振荡器的理论基础。

石英晶体的电气特性可用图中所示的等效电路图来表示,由等效电阻R1、等效电感L1和等效电容C1组成的串联谐振回路和静态电容Co并联组成,静态电容C0主要由石英贴片晶振的尺寸与电极确定,再加上支架电容组成。等效电感L1和等效电容C1由切型、石英晶体片和电极的尺寸形状来确定。等效电阻R1是决定石英晶振Q的主要因素,是直接影响石英谐振器工作效果的一个重要参数。R1不仅由切型、石英晶体片形状、尺寸、电极决定,而且加工条件、装架方法等对其影响也很大。因此,同一型号,同一频率的若干产品其Q值也相差很大。

在等效电路中,L1和C1组成串联谐振电路,谐振频率为：

通常石英谐振器的阻抗频率特性可用图2.3表示。此处忽略了等效电阻R1的影响,由图可见,当工作频率ff时,无源晶振又呈容性。晶体在石英晶体振荡器主振荡级的振荡电路呈现感性,即工作频率在f于f之间。

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