石英晶体的压电效应及应用
石英晶体工作原理
石英晶体工作原理石英晶体是一种具有特殊物理性质的材料，它在现代科技中有着广泛的应用。
石英晶体的工作原理主要涉及到其压电效应和透明性质。
石英晶体的压电效应是其工作的基础。
压电效应是指在某些晶体中，当施加力或压力时，会产生电荷分离，即正负电荷分离的现象。
石英晶体正是具有这种特性，当外界施加压力或力量时，石英晶体内部会发生电荷分离。
这种电荷分离产生的电场可以被用来测量和控制。
石英晶体的透明性质也是其工作原理的重要组成部分。
石英晶体具有良好的透明度，即可让光线穿过。
这使得石英晶体可以用作传感器、振动器和滤波器等设备的关键组件。
当光线穿过石英晶体时，由于其特殊的结构和物理性质，会发生折射和反射现象。
这些现象可以被利用来测量光的性质和控制光的传输。
基于以上两个原理，石英晶体在各个领域有着广泛的应用。
在电子领域，石英晶体被广泛应用于振荡器和频率控制器中。
振荡器是一种能够产生稳定的振荡信号的器件，而频率控制器则可以根据需要调整振荡信号的频率。
石英晶体在这些器件中起到了关键的作用，它的压电效应可以将外界施加的力量转化为电信号，从而产生稳定的振荡信号。
石英晶体还被广泛应用于无线通信领域。
在无线通信中，需要将电信号转化为无线信号进行传输。
石英晶体的压电效应使得它可以将电信号转化为机械振动，并通过适当的电路将其转化为无线信号。
这样，石英晶体就成为了无线通信中的重要组件之一。
除了在电子和通信领域的应用，石英晶体还在其他领域发挥着重要作用。
例如，在科学研究中，石英晶体被用作实验室中的标准参考材料，用于测量和校准仪器的精度。
在医学领域，石英晶体被用作超声波传感器，用于医学成像和诊断。
总的来说，石英晶体的工作原理主要涉及到其压电效应和透明性质。
通过压电效应，石英晶体可以将外界施加的力量转化为电信号，从而产生稳定的振荡信号。
通过透明性质，石英晶体可以用作传感器、振动器和滤波器等设备的关键组件。
基于这些原理，石英晶体在电子、通信、科学研究和医学等领域都有着广泛的应用。
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。
石英晶体产品基础知识(培训)
• 5、温度频差 在规定条件下，在工作温度范围内相对于基准温度（25℃±2℃）时工作频率的 允许偏差。
• 6、.等效串联电阻（Rr） 晶体在谐振频率下的电阻值，单位为欧姆。
• 7、激励功率(DL) 晶体工作时所消耗功率的表征值。 最大功率是大多数功率器件在保证正常电气参数的情况下，维持工作所消耗 的功率，单位为mW或uW。一般情况激励功率应维持在确保石英晶体正常起 振和稳定振荡所需要的最低值，以避免年老化特性不良和晶体损伤。
SC切温频特性曲线
常用AT切型的温频特性曲线图
石英晶体的基频和泛音模式
二、水晶生长
水晶的生长
天然水晶 人造水晶
三、石英晶片生产
晶片的生产流程
0.5～1天
粗磨
中磨
1天
细磨
粘坨
切割
1～2天
磨陀
分选
2～7天
4~15天 腐蚀分选 1～2天
切割有两种方式： 1.多 刀 （老工艺） 2.线切割（新工艺） 线切割出片率高. 边缘损伤小，应力小.
9 、对称性（占空比） 输出电压达到规定电平之上用的时间t1与输出电压达到该规定电平以下用的 时间t2之比，用占信号整个周期的百分数表示。规定电平可以是VOL和VOH之 间的算术平均值或幅度峰—峰值的50%。比值表示为： DUTY=t1/(t1+t2)
脉宽(t1)
间隔(t2)
VHI 电 压
VLO
上升时间
• 激励电平过大，会使等效电阻增加，Q值下降，电阻温度特性和频率温度特性 变得不规则；
• 激励电平过大，容易激起寄生振动，同时还会使老化变大。 • 激励电平太低也会使信噪比变小而影响短期稳定度， • 激励电平太低，谐振器不易起振，影响工作的温定和可靠性。 • 所以谐振器使用者应根据不同的要求严格控制激励电平；更不能为了增大输
压电效应的原理和应用
压电效应的原理和应用1. 压电效应的定义和基本原理压电效应是指某些晶体（如石英、陶瓷等）在受到外力作用时会产生电荷分布不均的现象。
这种电荷分布不均会导致晶体产生电势差，即产生电荷。
这个现象被称为压电效应。
压电效应的基本原理是晶体的晶格结构发生微小的形变，导致正负电荷的分离。
当施加的外力改变时，晶体的形变也会相应地改变，进而改变压电材料的电荷分布和电势差。
2. 压电效应的应用2.1 发电应用压电效应的最直接应用是将机械能转换成电能。
利用压电材料的特性，可以制造压电发电机，将机械振动、压力等能量转化为电能。
这种发电方式具有高效率、无污染、稳定性好等特点，在一些特殊场合下有着广泛的应用。
例如，压电发电机可以应用于自行车、汽车以及建筑物等结构上，通过机械振动或者压力变化来为设备供电。
2.2 声波传感应用压电效应还可以应用于声波传感领域。
当压电材料受到声波的作用时，由于声波的机械振动，压电材料会产生电势变化，从而对声波进行检测和测量。
这种应用在声学领域非常常见，例如，压电传感器可以用于声学测量、医学超声波成像和声波控制等领域。
2.3 压电制造应用压电效应还常常被应用于压电微调器件的制造上。
压电微调器件是一种利用压电材料的特性来实现微小位移调整的装置。
这种装置在精密仪器、精密加工设备和光学仪器中起到了重要作用。
例如，压电微调器件可以用于激光打印机的打印头定位、显微镜的焦距调节和光学仪器的波长调节等。
2.4 压电传感应用压电效应在传感领域的应用也非常广泛。
利用压电材料的特性，可以制造各种传感器，如压力传感器、振动传感器、加速度传感器等。
这些传感器可以测量各种物理量，并将其转换为电信号输出。
压电传感器被广泛应用于工业自动化、航空航天、医疗设备等领域，用于监测和控制。
3. 压电效应的未来发展压电效应作为一种重要的物理现象，其应用领域还在不断拓展和创新。
随着科学技术的进步，压电材料的性能和稳定性不断提高，压电效应将在更多的领域得到应用。
石英晶体压电效应原理
石英晶体压电效应原理
石英晶体是一种具有压电效应的特殊材料。
压电效应是指在某些晶体材料中，当施加外部压力或电场时，晶体会产生电荷的分离和极化现象。
石英晶体的压电效应原理基于其特殊的晶体结构和分子排列。
石英晶体由硅（Si）和氧（O）原子构成，呈现出六方晶系。
在晶体中，硅和氧原子以希腊字母"α"的形式紧密排列着。
根据晶体的结构，硅原子和氧原子形成了一个三维网状结构，在晶体内部形成了许多平行排列的电偶极子。
当外部施加压力或电场时，这些电偶极子会发生位移和重新排列。
施加压力时，晶体的外形会稍微变形，导致内部电偶极子产生相应的位移。
这个位移会引起电荷的分离，使晶体的两个极性面上分别产生正负电荷。
这种电荷分离现象称为压电效应。
当施加电场时，电场的作用会强迫电偶极子在晶体内部发生重新排列。
电偶极子的位移受到电场方向的控制，产生电荷分离。
这就是电压电效应。
压电效应在实际应用中有着广泛的用途。
例如，石英晶体作为压电传感器能够将压力变化转化为电信号，广泛应用于压力传感器、加速度计等领域。
此外，石英晶体的压电效应还支持液晶电视和电子钟等电子设备的正常工作。
总之，石英晶体的压电效应原理是基于其特殊的晶体结构和分子排列。
通过施加压力或电场，晶体内部的电偶极子会产生位移和重新排列，导致电荷的分离和极化现象。
这种压电效应为许多电子设备和应用提供了重要的功能和效能。
qcm原理
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。
石英表的工作原理
石英表的工作原理
石英表是一种利用石英晶体振荡来计时的高精度手表。
其工作原理主要是利用
石英晶体的压电效应和谐振特性来实现精确的计时功能。
首先，石英晶体具有压电效应，即在受到外力作用时会产生电荷。
当石英晶体
受到电压作用时，会产生机械振荡，而当机械振荡频率与晶体的固有振荡频率相同时，就会产生共振现象。
这种共振现象可以使石英晶体产生非常稳定和精确的振荡，因此可以作为计时的基准。
其次，石英表内部包含一个振荡器电路，用来产生高频的电信号。
这个电信号
会通过分频电路被分成一秒一个脉冲，然后被传送到步进电机或者涡轮发电机，最终驱动表针的运动。
由于石英晶体的高稳定性和精确性，所以石英表的计时精度非常高，一般能够达到每天几秒的误差。
此外，石英表还会受到温度、压力等环境因素的影响，为了减小这些影响，石
英表通常会在内部加入温度补偿电路和压力补偿电路。
温度补偿电路可以根据环境温度的变化来调整石英晶体的振荡频率，从而保持表的计时精度；而压力补偿电路则可以根据环境压力的变化来调整振荡器电路的工作状态，以保证表的计时准确性。
总的来说，石英表的工作原理是基于石英晶体的压电效应和谐振特性，通过振
荡器电路和补偿电路来实现高精度的计时功能。
这种工作原理使得石英表成为了现代计时领域中最为常见和精确的计时装置之一。
压电石英晶体
压电石英晶体压电石英晶体是一种特殊的晶体材料，具有压电效应。
它是一种晶体结构紧密、形状规则的石英晶体，在电子技术领域有着广泛的应用。
压电石英晶体具有压电效应，即当施加外力或电场时，能够产生电荷分布不均匀的现象。
这是由于晶体结构中的正负离子位移的非对称性所引起的。
当外力作用在石英晶体上时，晶体中的正负离子会发生位移，形成电荷的分布不均匀。
这个不均匀的电荷分布会导致晶体两端产生电压差，从而形成压电效应。
压电石英晶体具有很多优良的性质，使其在电子技术领域得到广泛应用。
首先，它具有稳定的物理性质和高的机械强度，能够承受较大的压力和振动。
其次，压电石英晶体具有优异的压电系数和压电常数，能够产生较大的电荷输出。
这使得它可以被用作传感器和振荡器等设备中的关键部件。
此外，压电石英晶体还具有较低的温度系数和优秀的频率稳定性，可用于制造高精度的频率控制器和时钟电路。
压电石英晶体在电子设备中的应用非常广泛。
例如，它常被用作振荡器的谐振元件，能够产生稳定的振荡信号。
这对于无线通信系统、计算机、电子钟等设备来说至关重要。
此外，压电石英晶体还可以作为传感器，用于测量压力、温度、加速度等物理量。
在医疗设备、汽车电子、航空航天等领域，压电石英晶体的传感器应用十分广泛。
除了以上的应用领域，压电石英晶体还可以用于声波滤波器、电子滤波器、声表面波器件等电子设备中。
它们利用晶体的压电效应来实现对信号的滤波和处理。
这些设备在通信系统、雷达、无线电等领域中起到了重要的作用。
总结起来，压电石英晶体作为一种具有压电效应的晶体材料，在电子技术领域有着广泛的应用。
它的稳定性、机械强度、压电特性以及频率稳定性等优良性质，使得它成为许多电子设备中不可或缺的关键部件。
随着科技的不断进步，压电石英晶体的应用领域还将不断扩展，为我们的生活带来更多的便利和创新。
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浅析石英晶体的压电效应及应用
摘要：文章通过对石英晶体结构、特性的描述，详细阐述了其压电效应机理及应用，提出了其存在的问题，介绍了其发展前景。
关键词：石英晶体压电效应应用
石英是矿物质硅石的一种，化学成分是sio2，形状为结晶的六角锥体，是一种物理特性和化学特性都十分稳定的物质。
随着近代科学技术的发展，人们对石英晶体材料进行了广泛的研究，而利用其压电效应研制出的揩振器、传感器等器件，在工业生产及无线电技术中发挥着巨大的作用。
一、石英晶体的压电效应机理
当石英晶体在某个方向受到外力的作用而变形时，其内部就会产生极化现象，同时在其表面会产生极性相反的电荷；当外力消失时，又恢复到不带电状态，当外力方向改变时，电荷极性也随之改变，这种现象称之为压电效应。
反之，当石英晶体受到交变电场作用时，晶体将在一定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形也随之消失。
这种现象称为逆压电效应，也称作电致伸缩效应。
具有压电效应的晶体称之为压电晶体，典型的压电晶体就是石英晶体，压电效应就是在石英晶体中被发现的。
二、石英晶体的应用
1.石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是使用石英晶体作为谐振选频电路的振荡器。
将石英晶体按一定的角切成薄片，在晶体切片的表面上装上一对金属
极板，这样就制成了石英晶体振荡器。
石英晶体振荡器是基于逆压电效应原理制成的。
当石英晶体受到交变电场时，石英晶体便会产生机械振动。
由于石英晶体具有一定的固有振动频率，当外加电场频率等于其固有频率时，便会产生谐振。
这就是石英晶体可以作为谐振选频电路的基本原因。
石英晶体振荡器具有极高的频率稳定度，因而广泛使用于要求频率稳定度高的设备中，例如标准频率发生器、脉冲计数器等。
2.压电式力传感器
压电式力传感器是利用石英晶体等压电材料的压电效应制成的
一种力敏传感器。
当压电传感器受到外力时，其内部的压电元件在力的作用下发生变形，表面即产生电荷，只要测得其产生的电荷量，就可以得到作用力的大小，这就是压电传感器的基本工作原理。
压电传感器可以对各种动态力、加速度、机械冲击和振动进行测量，因而在声学、力学、文物保护及导航等方面都得到了广泛的应用。
3.压电式超声波传感器
超声波是一种振动频率高于声波的机械波。
它具有波长短、绕射现象小、指向性强、衰减小、穿透力强等特性。
超声波传感器就是利用超声波的特性研制而成的传感器，它被广泛应用于检测物距、厚度、探伤、流量等领域中。
压电式超声波传感器一般由超声波发生器和超声波接收器两部
分组成。
超声波发生器又称为发射探头，是产生并发射超声波的装置。
它是利用石英晶体的逆压电效应制成的，即在石英晶体切片上
施加交变电压时，会使它发生电致伸缩振动，从而产生超声波。
当外加交变电压的频率与石英晶片的固有频率相同时，会产生共振现象，这时压电超声波发生器产生的超声波最强。
压电式超声波接收器也称接收探头，当超声波作用于接收探头中的压电晶片上时，使压电晶片发生机械形变而伸缩，则在压电晶片的两个面上产生交变电荷，这种电荷被转换成电压信号，经放大后送到测量回路，最后再记录或显示出测量结果。
4.石英晶体微天平
石英晶体微天平（quartz crystal microbalance-qcm）又叫压电石英生物传感器，是一种基于石英晶体的压电效应对其电极表面质量变化进行测量的仪器。
其发展始于上世纪60年代初期，是一种非常灵敏的质量检测仪器，其测量精度可达纳克级。
qcm的核心是一种沿着与石英晶体主光轴成35?15?切割而成的石英晶体振荡片。
在石英晶片两侧的电极施以交变电压时，石英晶体会产生机械振荡，当交变电压的频率与石英晶体的固有频率相同时，产生压电谐振。
若石英晶体表面沉积了一定质量的物质，其振荡频率就会发生相应的变化，而频率的改变正比于压电石英体质量的增加。
石英晶体微天平就是利用了石英晶体谐振器的压电特性，将石英晶振电极表面质量的变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的数据。
石英晶体微天平在医疗、化工、食品、生物医学、环境监测、工业、
军事等领域中均得到了广泛的应用。
总之，石英晶体作为天然矿物质，正发挥着它的积极作用。
但由于天然石英资源有限，价格较贵，所以，目前人们正大量使用成本较低的人造石英晶体。
人造和天然石英晶体的物理、化学性质几乎没有多大区别，居里点都为573℃，并有很高的机械强度和稳定的力学性能，因而越来越受到人们的青眯而得到广泛的应用。
（作者单位：辽宁省本溪市机电工程学校）。