神奇的石英晶體壓電效應(yīng)

來(lái)源：金洛鑫瀏覽：- 發(fā)布日期：2018-02-26 17:37:42【大中小】

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在如今的電子元器件行業(yè)里，石英晶體算是比較有“出息”的了，在大部分的智能、數(shù)碼電子等產(chǎn)品上，至少會(huì)有一顆晶振在里面。從發(fā)現(xiàn)沿用至今，已經(jīng)有一百多年了，但仍然在持續(xù)發(fā)展當(dāng)中，并且正在突破一項(xiàng)項(xiàng)極限，晶振技術(shù)越來(lái)越高端，可以說(shuō)是非常成熟了。但是卻很少有人真正的了解晶振，和它的壓電效應(yīng)。
1880年法國(guó)物理學(xué)家居里兄弟發(fā)現(xiàn)了壓電效應(yīng)。當(dāng)在晶體的某個(gè)固定的方向加上壓力后,晶體的內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,并且在對(duì)應(yīng)的兩個(gè)表面上分別產(chǎn)生正負(fù)電荷。當(dāng)去除所加的壓力后,晶體表面的正負(fù)電荷又會(huì)消失,恢復(fù)到原來(lái)沒(méi)有加壓力的狀態(tài);當(dāng)所加的壓力改為拉力后,晶體表面產(chǎn)生的正負(fù)電荷的極性也會(huì)隨之改變。晶體表面所產(chǎn)生的電荷量與所加的壓力或拉力的大小成正比。這種將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象就稱為正壓電效應(yīng)。相反,如果在晶體的極化方向上外加交變電場(chǎng)時(shí),就會(huì)使晶體產(chǎn)生膨脹或縮小的機(jī)械變形。當(dāng)去掉所加的交變電場(chǎng)后,該晶體的機(jī)械變形也隨之消失,恢復(fù)到原來(lái)的狀態(tài)。這種電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”[6][7] 自然界中雖然有很多晶體都具有上述壓電效應(yīng),但是石英晶體諧振器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,做成的振蕩器精度高,頻率穩(wěn)定,因此是比較理想的材料。
石英晶振也就是石英晶體振蕩器,具有極高的精度和頻率穩(wěn)定度。石英晶振是利用晶體的壓電效應(yīng)進(jìn)行工作的。

圖2-1是正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的示意圖。表示某一非中心對(duì)稱的壓電晶體在某一平面上的投影,當(dāng)其兩側(cè)受到一定外力時(shí)的情況。其中(a)表示當(dāng)晶體不受外力時(shí),正電荷與負(fù)電荷的中心重合。晶體的電極化強(qiáng)度為0,音叉晶體表面就不帶電荷。(b) 表示在(a)中的晶體兩側(cè)加上壓力后,產(chǎn)生電極化現(xiàn)象。即晶體發(fā)生壓縮變形使得正電荷與負(fù)電荷的中心分離。為此,晶體就顯示有電偶極距,電極化強(qiáng)度就不再等于0晶體表面分別出現(xiàn)了正、負(fù)電荷。(c)中則表示將晶體兩側(cè)的壓力改為拉力后,因?yàn)榫w產(chǎn)生膨脹變形后正電荷與負(fù)電荷的中心分離方向與(b)中的正好相反,所以晶體兩側(cè)表面所帶的正、負(fù)電荷情況也正好相反。如果在晶體兩側(cè)的表面鍍上金屬電極后, 當(dāng)在其表面加上壓力或拉力時(shí),都可以利用儀表測(cè)得晶體兩側(cè)表面的電位差。只是金屬電極上由于靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電荷與晶體表面出現(xiàn)的束縛電荷極性相反。如(d)、(e) 所示,它們分別表示(b)、(c)在加壓力的面或加拉力的面鍍上金屬電極的情況。當(dāng)施加壓力或拉力的方向和產(chǎn)生電位差的方向一致時(shí),稱為縱向壓電效應(yīng)。也有一些壓電材料,施加壓力或拉力的方向和產(chǎn)生電位差的方向是垂直的,這種現(xiàn)象則被稱為橫向壓電效應(yīng)。相反,如果SMD晶體在電場(chǎng)中,出于電場(chǎng)的作用,使晶體正電荷與負(fù)電荷的中心發(fā)生分離。這種極化現(xiàn)象則會(huì)導(dǎo)致晶體的變形,這就是電致變形,也就是逆壓電效應(yīng)[6]
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