石英晶体传感器
石英晶体谐振式传感器
石英晶体谐振式传感器以石英晶体谐振器作为敏感元件的谐振式传感器。
石英晶体谐振器是用石英晶体经过适当切割后制成，当被测参量发生变化时，它的固有振动频率随之改变，用基于压电效应（见压电式传感器）的激励和测量方法就可获得与被测参量成一定关系的频率信号。
石英晶体谐振式传感器的精度高，响应速度较快，常用于测量温度和压力。
石英晶体温度-频率传感器早期的石英晶体温度-频率传感器采用具有非线性温度－频率特性的石英晶体谐振器制作。
在发现具有线性温度－频率特性的石英晶体切型后，这种温度传感器的谐振器采用LC切型的平凸透镜石英晶体块制成，其直径约为数毫米，凸面曲率半径约为100毫米以上。
谐振器封装于充氦气的管壳内,在传感器电路中利用它的压电效应和固有振动频率随温度变化的特性构成热敏振荡器，它的基本谐振频率为28兆赫。
电路中另有一个振荡频率为2.8兆赫的基准振荡器,它通过十倍频后输出一个28兆赫的参照频率。
两个振荡器的输出经门电路相加送往混频器得到差频输出信号，它是被测温度与基准温度（即基准振荡器的温度）之差与1000赫／℃（温度系数）的乘积，因此该差频输出信号记录了被测温度的变化。
由时间选择开关产生不同的时间控制信号作为选通脉冲，以获得不同的分辨率。
线性石英晶体－频率传感器可用于热过程流动速度不高、间隔时间较长的各种高精度温度测量的场合以及多路遥控系统、水底探测等方面，还可用它制成高分辨率的直读式数字自动温度计。
石英晶体谐振式压力传感器这种传感器所采用的谐振器是用厚度切变振动模式AT切型石英晶体制作的。
谐振器可制成包括圆片形振子和受力机构的整体式或分离式结构。
振子有扁平形、平凸形和双凸形三种，受力机构为环绕圆片的环形或圆筒形。
图2是振子和圆筒为整体式结构的谐振器的结构图。
振子和圆筒由一整块石英晶体加工而成，谐振器的空腔被抽成真空，振动两侧上各有一对电极。
圆筒和端盖严格密封。
石英圆筒能有效地传递周围的压力。
当电极上加以激励电压时，利用逆压电效应使振子振动，同时电极上又出现交变电荷，通过与外电路相连的电极来补充这种电和机械等幅振荡所需的能量。
石英晶体元器件简介演示
未来石英晶体元器件将不断涌现出新的技术创新，推动市场不断升 级和变革。
行业整合
随着市场竞争的加剧，石英晶体元器件行业将出现整合现象，优势企 业将进一步巩固市场地位。
05
石英晶体元器件的选型与使用 注意事项
选型原则与标准
性能参数匹配
选择满足电路性能要求的石英晶 体元器件，确保其频率、温度系 数、负载电容等参数符合设计要 求。
通过石英晶体元器件，可以确保电子 设备中的电路运行在准确的频率上， 从而提高设备的性能和稳定性。
石英晶体传感器的应用
石英晶体传感器利用石英晶体的压电效应，将物理量（如压力、加速度、温度等 ）转换为电信号。
这些传感器在工业自动化、环境监测、航空航天等领域有广泛应用，用于测量和 监控各种物理量。
石英晶体谐振器的应用
石英晶体谐振器利用石英晶体的振荡特性，产生高精度和高 稳定的振荡信号。
在各种电子设备和通信系统中，石英晶体谐振器被用作时钟 源或参考频率源，确保系统正常运行。
03
石英晶体元器件的制造工艺
石英晶体元器件的制造工艺
• 石英晶体元器件，也称为石英晶体振荡器（Quartz Crystal Oscillator, QCO），是一种利用石英晶体（通常为天然或人造 石英）的压电效应产生振荡的电子元件。由于其具有高精度、 高稳定性和长寿命等优点，石英晶体元器件广泛应用于通讯、 导航、计算机、家电及工业控制等领域。
04
石英晶体元器件的市场与发展 趋势
市场需求与竞争格局
市场需求
随着电子设备的发展，石英晶体元器件市场需求持续增长，尤其在通信、导航 、消费电子等领域。
竞争格局
石英晶体元器件市场呈现多极化竞争格局，国内外知名品牌和中小企业均有参 与，竞争激烈。
石英晶体微天平传感器
应用
气体传感器：
将吸附特定气体的吸附膜附着于QCM电极表面，当空气中含有这种气体， 其分子就会被吸附于吸附膜上。被吸附的气体分子会引起QCM电极表面 质量的变化，使QCM的谐振频率产生变化。因此通过检测谐振频率的变 化即可判断空气中有无该种气体和该种气体量的多少。 QCM最早是应用于气相组分的分析、有毒易爆气体的检测。已对SO2 、 H2S、HCI 、NH3、NO2、Hg、CO、及其他碳氢化合物、氰化物等害气 体进行探测研究。
结构
QCM支架温控系统和液体 池的实物图：
QCM晶片两面的实物图：
应用
免疫传感器： 将特定的抗原(或抗体)固定于QCM的电极表面，当试剂中含有与其对应 的抗体(或抗原)时，两者之间就会相互结合，引起QCM表面电极质量的变 化。通过质量变化引起的谐振频率变化就可判断待测试剂中是否含有与Q CM电极表面的抗原(或抗体)相对应的抗体(或抗原)。
抗原 抗体
应用
基因传感器： 首先将DNA的单链固定 于QCM的电极表面， 当待测试剂中含有与其 对应的另一条DNA单 链时，两者就会结合在 一起，引起QCM表面 电极质量的变化，并通 过QCM谐振频率的变 化反映出来。这样通过 谐振频率的变化就可定 量测得待测试剂中含有 的特定DNA单链的量。
应用
基本原理
QCM定量基础： 德国物理学家Sauerbrey通过大量的研究发现厚度剪切压电石英晶体的谐振频率 变化Δf与在晶体表面均匀吸附的刚性物的质量Δm之间存在着比例关系， 他在 1959年给出了Sauerbrey 方程：
式中f为晶体的固有谐振频率，又叫基频率, ( Hz), m 为晶体表面涂层质量(g), △ f 为晶体谐振频率的变化量，A为涂层面积(cm2)。 该方程的适用前提是晶体表面的吸附层必须为刚性吸附层，既在晶体发生谐振 时该吸附层可随晶体本体发生无形变无相对位移的同步振动。 以此为理论依据，QCM最早只能应用与真空或气相环境中。
(完整版)石英加速度传感器
FS—A0001(石英加速度计）1）产品概述本产品为单轴的石英挠性摆式加速度计，通过检测质量敏感输入加速度,再经电路解调和调制，输出完全正比于输入加速度的信号.2）产品特点本产品的特点是体积小、重量轻、精度高，长期稳定性好。
偏值3个月稳定性可优于30μg，标度因数3个月稳定性可优于30 ppm，二阶非线性系数可优于18μg/g2.3)应用领域可用于航空、航天领域的捷联惯性系统或平台测量系统。
4）性能指标19电源(DC）±15 V20绝缘电阻(R i）≥100MΩ（测量电压为100V）21外形尺寸Ф25×31mm（法兰盘可为三角形或方形）22重量（W)≤80 g rm5）产品图片FS-A0002（石英加速度计）1）产品概述本产品和石英加速度计（A0001）的工作原理相同，同属单轴的石英挠性摆式加速度计，其精度属于中等。
2）产品特点本产品的特点是体积小、重量轻、精度中等，月稳定性好，应用范围广，可根据用户要求提供加速度计主要系数的热模型。
3）应用领域本产品可应用于航空、航天、航海等领域的各种捷联惯性系统。
序号项目技术指标1分辨率≤｜±5 ｜μg2量程（｜±IA|max）≥|±25｜g3偏值(K0)≤|±4｜ mg4标度因数（K1）1。
20±0。
20 mA/g5二阶非线性系数（K2）≤｜±30|μg/g26偏值1月稳定性（σK0）≤30 μg （1σ）7标度因数1月稳定性（σK1/K1）≤30 ppm (1σ）8二阶非线性1月稳定性(σK2)≤25 μg/ g2（1σ）9偏值温度系数(αK0）≤|±40|μg/℃10标度因数温度系数（αK1/ K1)≤|±50｜ppm/℃11失准角（δp、δo）≤｜±120| sec 12噪声(I N）≤10 μA13动超调量（σ）≤38 ％态半震荡次数（n)≤3 次参固有频率(f o）≥400 Hz 数带宽（BW）≥1000 Hz14静态电流（I±）≤|±16｜mA15低气压(40Pa、1h)(Δσ）≤5 %（不漏气）16振动（20~2000）Hz（V RD) 6.2 g rms17冲击70 g，11 ms，1/2sin18工作温度范围-45～+85 ℃19电源(DC）±15 V20绝缘电阻（R i）≥100 MΩ（测量电压为100V)21外形尺寸Ф25×31 mm(法兰盘可为三角形、方形）22重量（W)≤80 g rm5）产品图片FS—A0003（石英加速度计)1）产品概述本产品和石英加速度计（A0001型）的工作原理相同，同属单轴的石英挠性摆式加速度计,其精度属于中下等。
石英晶体传感器应用电路设计
东北石油大学课程设计2014年7 月15日任务书课程传感器课程设计题目石英晶体传感器应用电路设计专业测控技术与仪器姓名学号主要内容：本设计对利用石英晶体构成温度的传感器的方法做出较深入的研究，结合其他热敏电阻的特点进行详细的比较，并对石英晶体传感器的原理及石英晶体传感器原理做出详细的介绍，并结合单片机实现温度测量系统。
基本要求：1．分析石英晶体传感器应用电路设计方案；2．分析设计中各个电路的工作原理；3．详细说明所选用传感器的基本工作原理、画出应用电路电路图、注明元器件选取参数。
4．设计思路清晰明确，原理分析简单，电路结构完整。
主要参考资料：[1] 曾兴雯、刘乃安、陈建.高频电路原理与分析[M].西安：电子科技大学出版社，2007.37-97.[2] 马洛夫著．翁善臣译.压电谐振传感器[M] .北京：国防工业出版社，1984.47-61.[3] 姚守拙.压电化学与生物传感器[M].湖南：湖南师范大学出版社，1997.39-41.[4] 陈小林，王祝盈，谢中等.石英晶体温度传感器的应用[J].传感器技术，2002(5)：55-57[5] 谢胜秋，宋国庆.谐振式水晶温度传感器的现状及发展预测[J].传感器技术，2002（2）：1-4完成期限2014.7.11—2014.7.15指导教师专业负责人2014年7 月10 日摘要温度测量是工业生产中的一个重要环节。
采用石英晶体作为温度传感器，利用石英晶体对温度的灵敏度高、线性度好等优点，本设计结合其他热敏电阻的特点进行了详细的比较，并介绍了谐振式石英晶体温度传感器的基本原理，给出了用单片机测量温度的基本电路，分析了测量算法，给出了软件流程图。
以80C552 单片机为控制核心，实现了石英晶体温度传感器的数字温度计技术。
实验结果表明，系统设计合理、工作稳定可靠、温度测量精度高。
同时给出了温度测量系统的硬件结构和软件设计。
关键词：石英晶体；温度敏感性；单片机；数字滤波目录石英晶体传感器应用电路设计 (1)一、设计要求 (1)1、功能与用途 (1)2、课题意义 (1)3、国内外发展现状 (1)二、设计方案及其特点 (2)1、方案一：热敏电阻测量 (2)2、方案二：热敏电阻PT100 (3)3、方案三：石英晶体温度传感器 (3)三、传感器工作原理 (4)四、电路的工作原理 (6)五、单元流程设计、参数计算和器件选择 (7)1、测量流程设计 (7)2、参数计算 (8)3、器件选择 (8)六、总结 (9)参考文献 (10)石英晶体传感器应用电路设计一、设计要求1、功能与用途石英晶体传感器是利用石英晶体即二氧化硅的结晶体的压电效应制成的一种谐振器件，它的基本构成大致是：从一块石英晶体上按一定方位角切下薄片（简称为晶片，它可以是正方形、矩形或圆形等），在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，简称为石英晶体或晶体、晶振。
石英压力传感器
石英传感器原理凡是把非电量转换为电量的装置均称为传感器，它是实现信息检测、转换、控制和传输的元器件。
石英晶体传感器按用途、结构、形状等大体可分为机械传感器、通用传感器、化学传感器以及应用于DNA检测的生物传感器，而石英压力温度传感器是一种典型的机械通用型传感器。
传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路等组成。
石英传感器的敏感元件是石英晶体，石英晶体的主要成份是二氧化硅，其密度为2.65×103kg/m3，莫氏硬度为7，熔点高达1750℃，难溶于水，长期稳定性能好，石英晶体具有较高的机电耦合系数，线性范围宽，重复精度高，滞后小，无热释电效应，动态特性优良，振动频率稳定，是其它材料难以代替的。
根据石英晶体的压电效应、压电逆效应及对某些物理量和化学量的变化会引起其频率和Q值（或等效电阻）发生变化的原理而制成的石英传感器，具有精度高、灵敏度好、测量范围宽、反应迅速、数字输出等独特的优势。
由于晶体是频率控制元件，本身就能达到数字化（以频率的方式输出），当绝对频偏与被测含量呈线性关系时，其数字处理既简单又方便，且输出数字量稳定可靠，易与计算机接口，有利于二次仪表的数字化。
数字量与模拟量相比，具有抗干扰性强，适宜于远距离传输，消除了模拟数字转换这一复杂环节及其造成的误差。
由于石英晶体还具有短稳频率与长稳频率的优良特点，传感器的分辨率可提高几个数量级，减少了传感器的校准次数。
石英晶体机械传感器石英晶体机械传感器主要用于测量位移、速度、力、弹性、重量等，较有代表性的传感器包括石英晶体测力计、石英晶体压力计、石英晶体加速度计、石英谐振式重力仪、石英差频重力仪等。
1石英晶体测力计根据压电效应原理制造的石英晶体测力计，与接触表面的面积大小无关，当石英晶体受到力的作用时会产生机械形变，在其表面形成束缚电荷，电荷量的大小与作用力成正比，故测出其表面电荷量就可显示出作用力。
大部分石英晶体测力计均采用压电系数较大的X切型或AT切型的晶体，X切型晶体的压电方程为： qX=d11FX（1）式中，d11为压电常数，FX为沿晶体X方向施加的压力，qX为垂直于X 轴平面上的电荷。
石英称重传感器工作原理
石英晶体（Quartz Crystal）是二氧化硅无水化合物，分子式是SiO2。
当石英晶体片沿X轴方向受力作用时，内部产生极化，在垂直于X轴的两个平面上产生等量的正负电荷，这种现象称为纵向压电效应。
而在垂直于Y轴的平面上，沿着Y轴的方向施加外力时，在与X轴垂直的平面上产生电荷，这种现象称为剪切效应。
石英晶体的压电效应是由于在外力作用下石英晶体内的硅原子和氧原子的位置产生相对变形，正电荷和负电荷的重心互相移位所致。
产生的电荷由覆盖在石英晶体表面的电极板进行收集、传输。
力值的计量就是直接利用这三个压电效应，制成单分量或多分量测力与称重传感器。
利用石英晶体制造称重传感器时，石英晶体篇有并联和串联连接两种方式。
并联连接：两个压电石英晶体片按极化方向相反粘接，负电荷集中在中间的负电极板上，正电荷在两端的正电极板上。
这时相当于两个电容器并联，输出电极板上的电荷和电容量将增加一倍，如图4所示。
如果有n个石英晶体片按并联方式连接，此时的总输出电荷将增加n倍，电荷灵敏度也增加n倍，而电压灵敏度则与单个石英晶体片工作时相同，n个石英晶体片并联所产生的电荷为：Q X=nd11F x式中：Q X——石英晶体圆片垂直于Fx平面产生的电荷d11——石英晶体的纵向压电模数，d11=2.31PC/N两个表面之间的电压U X为：U X=Q X/C X=d11F x/C X式中：C X——石英晶体圆片的电容量.C X=επd2/4t.ε——石英晶体的介电系数。
.串联连接：两个石英晶体片按极化方向相同粘接，于是在两个石英晶体片粘接处的中间电极板上正负电荷相互抵消，这时总电容量为单个石英晶体片工作时的一半，电压都增大一倍，而总电荷则不变，如图5所示。
..若n个石英晶体片串联连接，由于输出电压增加n倍，因此电压灵明度也增加n倍，而电荷灵明度则与单个石英晶体片工作时相同。
.由此得出，多个石英晶体片并联连接时，输出电荷量大，电荷灵敏度高；串联连接时，输出电压大，电压灵敏度高。
qcm原理——精选推荐
石英晶体微天平的原理和应用一、石英晶体微天平的基本原理：石英晶体微天平最基本的原理是利用了石英晶体的压电效应：石英晶体内部每个晶格在不受外力作用时呈正六边形，若在晶片的两侧施加机械压力，会使晶格的电荷中心发生偏移而极化，则在晶片相应的方向上将产生电场；反之，若在石英晶体的两个电极上加一电场，晶片就会产生机械变形，这种物理现象称为压电效应。
如果在晶片的两极上加交变电压，晶片就会产生机械振动，同时晶片的机械振动又会产生交变电场。
在一般情况下，晶片机械振动的振幅和交变电场的振幅非常微小，但当外加交变电压的频率为某一特定值时，振幅明显加大，这种现象称为压电谐振。
它其实与LC回路的谐振现象十分相似：当晶体不振动时，可把它看成一个平板电容器称为静电电容C，一般约几个PF到几十PF；当晶体振荡时，机械振动的惯性可用电感L 来等效，一般L 的值为几十mH到几百mH。
由此就构成了石英晶体微天平的振荡器，电路的振荡频率等于石英晶体振荡片的谐振频率，再通过主机将测的得谐振频率转化为电信号输出。
由于晶片本身的谐振频率基本上只与晶片的切割方式、几何形状、尺寸有关，而且可以做得精确，因此利用石英谐振器组成的振荡电路可获得很高的频率稳定度。
二、石英晶体微天平的主要构造：QCM主要由石英晶体传感器、信号检测和数据处理等部分组成。
石英晶体传感器的基本构成大致是：从一块石英晶体上沿着与石英晶体主光轴成35度15'切割(AT—CUT)得到石英晶体振荡片，在它的两个对应面上涂敷银层作为电极，石英晶体夹在两片电极中间形成三明治结构。
在每个电极上各焊一根引线接到管脚上，再加上封装外壳就构成了石英晶体谐振器，其产品一般用金属外壳封装，也有用玻璃壳、陶瓷或塑料封装的。
石英晶体微天平的其他组成结构在不同型号和规格的仪器中也不尽相同，可根据测量需要选用或联用。
一般附属结构还包括振荡线路、频率计数器、计算机系统等；电化学石英晶体微天平在此基础上还包括恒电位仪、电化学池、辅助电极、参比电极等；\三、石英晶体微天平的分析化学应用QCM最早应用于气相组分、有毒易爆气体的检测。
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总结：
综上所述，石英晶体测温传感器，具有良好的稳定性 以及高精度性，其可将温度的变化变换为振荡频率变 化的频率调制信号,而该信号极易发送与接收,有很好 的抗干扰能力,可实现遥测与遥控,易于用数字式仪器 测量,易于与单片机、计算机连接，在对频率和时间精 度要求较高的电子测量中有很大的应用空间。
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3.石英晶体的温度——频率转换
石英晶体切型：
晶片是从一块晶体上按一定的方位角切下的薄片，可以是圆形或正方形，矩形 等。按切割晶片的方位不同，可将晶片分为AT、BT、CT、DT、X、Y等多种 切型。不同切型的晶片其特性也不尽相同，尤其是频率温度特性相差较大。
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Y切型，LC切型，AC切型的石英晶体具有良 好的线性频率温度特性，石英晶体的固有 谐振频率与温度T的关系可以如下表达：
石英晶体测温传感器
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石英晶体测温原理
石英晶体是弹性体,它存在固有振动频率。当强迫振动频率等 于它的固有振动频率时,就会产生谐振。利用这一特性人们将 它做成振荡器、压电传感器等元件。
通常,用于这些方面的石英晶体,它的温度稳定性是衡量其品 质的一项重要指标。由于石英晶体的固有振动频率与温度密切 相关,因此,我们可以利用这一特点作成高精度的温度一频率传 感器。
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石英谐振器的振荡频率随温度而变化。采取特殊的切割方向 , 可以使这种变化加强, 再把这种变化控制成线性或接近线 性关系, 就可以制成一种高灵敏度测温传感器。
根据不同的频率和切型, 石英晶体温度传感器的温度灵敏度
Ct 可以在20Hz/℃ 到2 850Hz/ ℃范围内变动。对这一变化
进行频率测量, 可以使温度分辨力达到
,
这是一般温度计很难办到的。这样高的温度分辨力对于某些
理化性能实验研究至关重要。
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1.石英晶体谐振器
石英晶体材料
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2.石英晶体压电谐振
压电效应：
某些电介物质在一定方向上受到外力的作用而变形时, 内部产生极化现象, 同时在表面上产生电荷, 当外力去掉后, 又重新回到不带电状态, 这种将 机械能转化为电能的现象称为“ 顺压电效应” 。相反, 在电介质的极化 方向上施加电场, 它会产生机械变形, 这种将电能转化为机械能的现象称 为“ 逆压电效应”具有压电效应的电介物质称为压电材料, 其中石英是一 种性能良好的压电晶体。
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曲线拟合法求解石英晶体温度——频率关系：
将上述石英晶体固有频率与温度T的关系改写为：
为了确定
采用曲线拟合法。这种方
法是采用n 次多项式来逼近反非线性曲线。该多项式方程的各个系数由最小二乘法
确定，其具体步骤如下：
（1） 对传感器进行静态实验标定，得校准曲线，标定点的数据为：输入温度：ti
：t1，t2，t3，⋯，tN;输出频率：fi：f1，f2，f3⋯，fN；其中N 为标定点个数，
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石英晶体压电效应：
当交变电压加于石英晶片时，石英晶片将会随交变电压的频率产生 周期性的机械振动，同时，机械振动又会在两个电极上产生交变电 荷，并形成交变电流。当外加交变电压的频率与石英晶片的固有频 率相等时，晶片便产生共振，此时镜片的机械振动最强，镜片两面 的电荷数量和其间的交变电流也最大，产生了类似于LC回路中的串 联谐振现象，这种现象称为石英晶体的压电谐振。
i=1，2，⋯，N。
（2）假设反非线性特性拟合方程为：
（2）
（3）求解式（2） 的待定常数
。根据最小二乘法原则来确
定待定常数
其基本思想是：由式（2）确定的各个fi (ti)，与各个点
的标定值fi 的均方差应最小，即要求式（3） 的值最小。
（3）
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石英晶体传感器应用实例 ——石英晶体数字温度计
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By :0540宿舍 邹岸 42 林显迪 52 王云龙 03 伍尚文 23
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