神奇的石英晶体压电效应

来源：金洛鑫浏览：- 发布日期：2018-02-26 17:37:42【大中小】

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在如今的电子元器件行业里，石英晶体算是比较有“出息”的了，在大部分的智能、数码电子等产品上，至少会有一颗晶振在里面。从发现沿用至今，已经有一百多年了，但仍然在持续发展当中，并且正在突破一项项极限，晶振技术越来越高端，可以说是非常成熟了。但是却很少有人真正的了解晶振，和它的压电效应。
1880年法国物理学家居里兄弟发现了压电效应。当在晶体的某个固定的方向加上压力后,晶体的内部就产生电极化现象,并且在对应的两个表面上分别产生正负电荷。当去除所加的压力后,晶体表面的正负电荷又会消失,恢复到原来没有加压力的状态;当所加的压力改为拉力后,晶体表面产生的正负电荷的极性也会随之改变。晶体表面所产生的电荷量与所加的压力或拉力的大小成正比。这种将机械能转化为电能的现象就称为正压电效应。相反,如果在晶体的极化方向上外加交变电场时,就会使晶体产生膨胀或缩小的机械变形。当去掉所加的交变电场后,该晶体的机械变形也随之消失,恢复到原来的状态。这种电能转变为机械能的现象称为“逆压电效应”[6][7] 自然界中虽然有很多晶体都具有上述压电效应,但是石英晶体谐振器结构简单,做成的振荡器精度高,频率稳定,因此是比较理想的材料。
石英晶振也就是石英晶体振荡器,具有极高的精度和频率稳定度。石英晶振是利用晶体的压电效应进行工作的。

图2-1是正压电效应和逆压电效应的示意图。表示某一非中心对称的压电晶体在某一平面上的投影,当其两侧受到一定外力时的情况。其中(a)表示当晶体不受外力时,正电荷与负电荷的中心重合。晶体的电极化强度为0,音叉晶体表面就不带电荷。(b) 表示在(a)中的晶体两侧加上压力后,产生电极化现象。即晶体发生压缩变形使得正电荷与负电荷的中心分离。为此,晶体就显示有电偶极距,电极化强度就不再等于0晶体表面分别出现了正、负电荷。(c)中则表示将晶体两侧的压力改为拉力后,因为晶体产生膨胀变形后正电荷与负电荷的中心分离方向与(b)中的正好相反,所以晶体两侧表面所带的正、负电荷情况也正好相反。如果在晶体两侧的表面镀上金属电极后, 当在其表面加上压力或拉力时,都可以利用仪表测得晶体两侧表面的电位差。只是金属电极上由于静电感应产生的电荷与晶体表面出现的束缚电荷极性相反。如(d)、(e) 所示,它们分别表示(b)、(c)在加压力的面或加拉力的面镀上金属电极的情况。当施加压力或拉力的方向和产生电位差的方向一致时,称为纵向压电效应。也有一些压电材料,施加压力或拉力的方向和产生电位差的方向是垂直的,这种现象则被称为横向压电效应。相反,如果SMD晶体在电场中,出于电场的作用,使晶体正电荷与负电荷的中心发生分离。这种极化现象则会导致晶体的变形,这就是电致变形,也就是逆压电效应[6]
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