石英晶体
石英晶体基础知识
深圳市锐晶星电子科技有限公司石英晶體諧振器基礎知識培训教材（共8页）2007年7月1日第一章石英晶体的基本特性第一节石英晶体的压电特性图1-1示出了石英晶体具有压电效应的两种现象。
图1-1a当沿Y 轴加压缩力时，则在X轴正端垂直面上，出现正电荷（晶体的伸缩弯曲振动就是按此激起的）。
图1-1b中当对晶体施加正切应力时，则在垂直Y上述现象表明石英晶体是一种各向异性的结晶体，它具有压电效应。
当沿某一机械轴或电轴施以压力或拉力，则在垂直于这些轴的两个表面上产生异号电荷±q。
其值与机械压力所产生的机械形变（位移）X成正比。
即：q=k 1x ﹎﹍(1-1)式（1-1）所表征的效应称为正压电效应，正压电效应是以机械能为因，电能为果的效应。
石英晶体还具有逆压电效应。
如果在石英晶体片两面之间加一电场E，则视电场的方向不同，晶体将沿电轴或机械轴延伸或压缩，延伸或压缩量X与电场强度E成正比，即：X=K2E ﹍（1-2）式（1-2）所表征的效应称压电逆效应。
是以电能为因，机械能为果的效应。
由上面的讨论可以看出，正、逆压电效应互因果关系。
如果将石英晶体片置于交变电场中，则在电场的作用下，晶体片的体积将起压缩和伸张的变化，由此形成机械振动，晶体的振动属体波振动，当晶体片振动时，逆压电效应使得晶体片具有导电性，这种压电性叫做压电导电性。
石英片固有的振动频率取决于晶体片的几何尺寸、密度、弹性和泛音次数。
当晶体片的固有振动频率与加于其上的电场频率相同时，则晶体片将发生谐振。
此时振动的幅度最大，压电效应在晶体片表面产生的电数值和压电导电性也达最大。
因此，外电路中的交变电流也就最大。
这是用以稳定频率的理论基础。
第二节石英晶体在不同温度下的各种变体在正常的压力下，石英晶体随着温度的不同共有五种不同性质的变体，即：(1)α石英，其温度低于573℃时为稳态，就是我们通常用的压电石英晶体。
(2)β石英,对α石英加温超过573℃时,即转变为β石英,它在573℃～870℃之间为稳态,但此时没有压电效应,也不能用作压电元器件了。
石英的晶格类型
石英的晶格类型石英，也被称为石英石，是一种常见的矿物，其晶格类型为三斜晶系。
石英晶体呈六面体或者六面柱体的形状，结构密实而有序。
它是地壳中含量最高的矿物之一，广泛存在于地球的各个岩石中。
石英的晶格结构是由硅氧四面体构成的，每个硅氧四面体的中心是一个硅离子，而四个氧离子围绕在其周围形成四面体结构。
这些硅氧四面体通过共享氧离子的方式相互连接，形成了一个稳定的三维晶体结构。
石英的晶格结构在空间中是无限重复的，这种有序排列使得石英具有一些特殊的性质和应用价值。
石英的晶格类型为三斜晶系，这意味着其晶体具有三个不等长且不垂直的轴。
这种晶格类型使得石英的晶体形状呈现出不规则的六面体或六面柱体。
石英的晶格参数决定了其晶体的大小和形状，也影响了其物理和化学性质。
石英的晶体结构具有高度的对称性，每个晶胞中有三个不等价的硅原子和六个不等价的氧原子。
这种高度的对称性使得石英具有一些特殊的光学和电学性质。
例如，石英具有压电效应和透明性，可以用于制造压电器件和光学仪器。
石英的晶格结构还决定了其热稳定性和化学稳定性。
石英具有高熔点和低热膨胀系数，使得它在高温和低温条件下都能保持稳定。
此外，石英对大多数化学物质具有较强的抗腐蚀性能，使其在化学工业中得到广泛应用。
除了在地壳中广泛存在外，石英还具有许多重要的应用价值。
例如，石英可以用于制造光学器件，如光纤和激光器。
石英的高透明度和优异的光学性能使其成为光学领域的重要材料。
此外，石英还可以用于制造压电器件、陶瓷材料和电子器件等。
石英的晶格类型为三斜晶系，其晶体结构由硅氧四面体构成，具有高度的对称性和稳定性。
石英的晶格结构决定了其物理和化学性质，使其具有许多重要的应用价值。
石英在光学、电子、化工等领域都有广泛的应用，对人类社会的发展起到了重要作用。
石英晶体形状
石英晶体形状
石英晶体是一种常见的矿物，其晶体形状多种多样，下面将介绍几种常见的石英晶体形状。
1. 六方柱状晶体
六方柱状晶体是石英晶体中最常见的形状之一。
它的外形像一个六边形的柱子，顶部和底部都是六边形。
这种晶体形状在自然界中很常见，可以在石英矿物中轻易地找到。
2. 六方板状晶体
六方板状晶体是另一种常见的石英晶体形状。
它的外形像一个六边形的薄片，厚度很薄，通常只有几毫米。
这种晶体形状在石英矿物中也很常见。
3. 立方体状晶体
立方体状晶体是石英晶体中比较少见的形状之一。
它的外形像一个正方体，六个面都是正方形。
这种晶体形状在自然界中比较罕见，通常只在一些特殊的石英矿物中出现。
4. 棱柱状晶体
棱柱状晶体是石英晶体中比较特殊的形状之一。
它的外形像一个长
方形的柱子，四个面都是长方形。
这种晶体形状在自然界中比较罕见，通常只在一些特殊的石英矿物中出现。
5. 针状晶体
针状晶体是石英晶体中比较特殊的形状之一。
它的外形像一根细长的针，长度可以从几毫米到几厘米不等。
这种晶体形状在自然界中比较罕见，通常只在一些特殊的石英矿物中出现。
石英晶体形状多种多样，每一种形状都有其独特的特点和用途。
石英晶体在工业、科研和生活中都有广泛的应用，因此对其形状的研究和了解具有重要的意义。
石英晶体的作用范文
石英晶体的作用范文石英晶体是一种具有晶格结构的矿石，由二氧化硅（SiO2）组成。
它具有很多特殊的物理特性，因此在许多领域都有重要的应用。
下面将详细介绍石英晶体的作用。
1.石英晶体在电子学领域中有重要的作用。
由于它们具有压电效应，即在受到力或压力时，会产生电荷的积累或分离。
这使得石英晶体可以用于制作压电传感器、传输控制设备和压电陶瓷等。
2.石英晶体的压电特性对于制造薄膜压电谐振器（TCF）也非常重要。
TCF是一种微型传感器，可以测量压力、力和加速度等。
它广泛应用于电子设备、汽车和航空航天领域。
3.石英晶体还可以用作时间计量器，如石英钟表。
石英钟表的工作原理是通过石英晶体的正比例振荡来计量时间。
这种精确的时间测量使得石英钟表成为现代社会中最常用的时间计量器之一4.石英晶体还可以用于制作光学设备，如光学石英玻璃。
光学石英玻璃具有良好的透光性、硬度和化学稳定性，因此在光学领域中有广泛的应用，如摄影镜头、望远镜和激光设备等。
5.石英晶体还可以用于制造电子滤波器和谐振器。
电子滤波器可以用来控制信号的频率，并消除噪音。
石英晶体作为滤波器中的谐振器，可以提供高精度和稳定性的频率选通。
6.石英晶体还具有热稳定性和良好的化学性质，因此可以应用于高温环境和化学实验中。
它们可以用作高温熔融炉和实验室仪器中的材料。
7.石英晶体还可以用于制造晶体管和集成电路中的晶体振荡器。
振荡器是电路中产生稳定信号的重要元件，用于同步和计时等应用。
石英振荡器具有高精度和稳定性，因此在电子设备和通信系统中广泛应用。
总之，石英晶体是一种具有重要物理特性的矿石，具有压电效应、热稳定性和化学稳定性等特点。
它们在电子学、光学、时间计量等许多领域中都有广泛应用。
石英晶体的作用不仅仅体现在实际应用上，而且对科学研究和技术进步也有重要意义。
石英晶体结构
石英晶体结构
石英是一种来自自然界的晶体，它们属于玻璃成分、超强度非金属、天然晶体类型。
它是最古老的晶体，也是唯一一种被广泛使用在宝石、时钟、思想表达、宗教仪式等多个领域的晶体。
石英晶体具有很高的坚硬性，颜色也很美丽，但是并不是所有的石英晶体都是一样的，因此其内在的晶体结构也是非常复杂的。
它们之间的结构不但影响到它们的外观性质，而且还影响到它们的用途和功能。
石英晶体结构是一种特殊的构造，它是由三维立方聚集而成的，因此在解释它的晶体结构时，必须从理论上把它看作立方晶体。
每一个立方晶体由立方体构成，每个立方体都具有8个顶点和12条棱，
而立方体之间的联系又有其规则性，称为晶体结构。
立方晶体的边界实际上是晶体的外壳，晶体的内部有其独特的构造，体内由晶体结晶体元素组成，它们之间又有其规律性的联系。
经过一些研究，发现石英晶体结构具有极其复杂而又完备的构造，它可以通过结晶体元素的空间排列形成一种微小而精确的结构，从而使晶体具有各种用途和功能。
石英晶体结构中，晶体结构元素之间的空间排列形成一种四边形结构，被称为晶胞，晶胞的边长越短，它的晶体结构就越高级。
这使得石英晶体有能够反射光线，实现精确的时钟、如何传输信号，制作宝石等等有用的功能。
石英晶体的晶体结构不仅仅是影响它的外观性质，而且也影响到它的性能和功能。
因此，在研究和使用石英晶体时，对其晶体结构的了解是至关重要的。
石英晶体结构是一个非常复杂而又多样的结构，
其丰富的功能可以为人们的日常生活提供强大的帮助和支持。
石英晶体微天平物质结构
40
• Quartz crystal • 2. Electrode material
ΔF= - 2 F02ΔM/A（q q）1/2
ΔF: Frequency Change of Quartz Crystal; ΔM: Mass Change of the Substance on Electrode
石英晶体微天平（quartz crystal microbalance）是一种非常灵敏的质量检 测器，能够快速、简便和实时检测反应过 程中的质量变化，检测限可达到纳克级 水平，已被广泛应用于基因学、诊断学等 各方面，成为分子生物学和微量化学领域 最有效的手段之一。
1
QCM crystal. Grey=quartz, yellow=metallic electrodes.
26
当晶体被浸入到溶液中，振荡频率取决于 所使用的溶剂。当覆盖层比较厚时，频率 f 和质量变化 Dm 之间是非线性的，需要 修正。
27
当石英晶体振荡与流体接触时，晶体表面 对流体的耦合极大地改变振荡频率，并在 晶体与流体接触面附近产生一剪切振动。 振动表面在流体中产生平流层，它导致 频率与(h)1/2成比例降低，这里和h分别 是流体的密度和粘度。
9
而当石英晶体受到电场作用时,在它的某些 方向出现应变，而且电场强度与应变之间 存在线性关系，这种现象称为逆压电效 应。逆压电效应是在电场的作用下，在电 偶极距发生变化的同时产生形变.
10
三、石英谐振器的振动模式
石英谐振器是由石英 晶片、电极、支架及 外壳等部分构成。
11
１、伸缩振动模式 ２、弯曲振动模式 ３、面切变振动模式 ４、厚度切变振动模式
2、光双晶：同时存在左旋和右旋两个部分连 生在一起。
石英晶体的特点
石英晶体的特点
石英晶体是一种极为常见的晶体，主要由二氧化硅(SiO2)构成，具有很多特点和应用价值。
石英晶体具有高硬度和高抗磨性。
在矿物学中，石英晶体是硬度最高的矿物之一，其硬度达到7级。
此外，石英晶体具有很好的耐磨性，可以在高温高压等恶劣环境下长期保持其物理性质。
石英晶体具有很好的光学性能。
石英晶体的折射率很高，因此在光学领域得到了广泛应用。
例如，石英晶体可以用来制造光学棱镜、光学窗口等光学元件，还可以用来制造光学仪器的镜片、透镜等。
石英晶体还具有很好的电学性能。
石英晶体在电场作用下会发生压电效应，即在机械应力作用下，会产生电荷分布，从而产生电场。
这种性质使得石英晶体在电子领域得到了广泛应用，例如制造石英晶体振荡器、滤波器等电子元件，还可以用于制造电子钟表、计算机等电子产品。
石英晶体还具有很好的化学稳定性。
石英晶体不易被化学物质腐蚀，可以在强酸、强碱等腐蚀性环境中长期稳定存在。
这种性质使得石英晶体可以用于制造化学仪器、实验室设备等。
石英晶体具有很多优良的特性和应用价值，其在光学、电子、化学等多个领域都拥有广泛的应用。
随着科技的不断进步，石英晶体的
应用领域还将不断扩展，展现出更大的价值和潜力。
石英晶体
石英晶体quartz crystal二氧化硅(SiO)的单晶体，又称水晶，有天然和人造的两种。
石英晶体是一种重要的电子材料。
沿一定方向切割的石英晶片，当受到机械应力作用时将产生与应力成正比的电场或电荷，这种现象称为正压电效应。
反之，当石英晶片受到电场作用时将产生与电场成正比的应变，这种现象称为逆压电效应。
正、逆两种效应合称为压电效应。
石英晶体不仅具有压电效应，而且还具有优良的机械特性、电学特性和温度特性。
用它设计制作的谐振器、振荡器和滤波器等，在稳频和选频方面都有突出的优点。
1880年法国P.居里发现石英晶体的压电效应。
直到第一次世界大战期间，石英晶体的压电效应才得到应用。
由于天然石英资源短缺，人们研究用人工方法进行培育。
1905年意大利学者用水热温差法制造出合成人造石英。
1960年美国西方电气公司建立了第一个人造石英工厂，人造石英进入工业化生产阶段。
现代用水热温差法培育的人造石英，质量已可与天然石英媲美，能满足电子技术的需要。
在大气压力下，石英的熔点为1750[618-1]。
在573[618-1]以下时称石英，属于三方晶系32点群；在573～870[618-1]之间时称石英,属六方晶系622点群。
石英和石英都具有压电效应，但现代广泛使用的是石英，它的密度为2.65克／厘米，莫氏硬度为7。
理想的石英晶体外形见图。
它有一个三次旋转对称轴,三个互成120°夹角的二次旋转对称轴,三次轴与二次轴垂直。
晶轴与三次轴平行，晶轴、和[kg1]则分别与三个二次轴平行。
[kg1]轴与轴重合，轴与轴重合。
根据石英晶体的旋光性质，石英还可分为右旋石英和左旋石英(图[石英晶体的理想外形图」)沿方向施加压力时，右旋石英的轴正向带正电，左旋石英的轴正向带负电。
石英晶体的轴为光轴，光线沿轴通过晶体时不产生双折射现象。
轴称为电轴,沿轴或轴施加压力时,在轴方向产生电效应。
轴称为机械轴，沿轴或轴施加压力时，在轴方向不产生电效应。
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反之，若沿 x 方向对晶片施加电场，电场强度大小为 Ex 。根据逆压电效应，晶体在 x 轴 方向将产生伸缩，即
Δa=d11U x
(5-4)
Ux 为其两电极面间的电压。由于压电晶体是绝缘体，当它的两极表面聚集电荷时，它
相当于一个电容器。所以
Ux
= qx Cx
=
d11
Fx Cx
(5-5)
式中 C x
=
ε 0ε r bc a
Ua
=
q Ca
=
d33 Fm sin ωt Ca
=Um
sin ωt
(5-20)
式中
Um
=
d 33 Fm Ca
——压电元件输出电压幅值。
由图 5-8(b)可得放大器输入端的电压 Ui，其复数形式为
第五章 压电式传感器
主要知识点：晶体、压电陶瓷的压电效应原理，压电元件的结构形式，压电传感 器的工作原理、结构及压电传感器的等效电路、测量电路。 重点： 压电传感器的工作原理、结构及其等效电路、测量电路。 难点： 压电加传感器的应用。
压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。
－
P1
+
P3
+ -
x
－
+
P2
－-
++
y
Fx
+
-
FX +－
+ +
P1
P3
－ -
x
+
P2
－
+
-
+－
(a) Fx=0
(b) Fx<0
(c) Fx>0
图5-2 石英晶体压电效应示意图
所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。
当晶体受到沿 x 方向的压力（F x < 0）作用时，晶体沿 x 方向将产生收缩，正、负离子 的相对位置随之发生变化。此时正、负电荷中心不再重合，电偶极矩 P1 减小，P2、P3 增大， 它们在 X 方向上的分量不再等于零，
z
称为电轴，它通过六面体相对的两个棱线并垂直 于光轴，在垂直于此轴的面上压电效应最强；y 轴称为机械轴，它垂直于两个相对的晶柱棱面。
y y
x
从晶体上切下的平行六面体的薄片称为晶体 x
(a)
(b)
切片。当沿着 x 轴对压电晶片施加力时，将在垂 直于 x 轴的表面上产生电荷，这种现象称为“纵 向压电效应”；沿着 y 轴施加力的作用时，电荷
Ca
=
εS δ
=
ε rε 0S δ
(a)
(b)
图 5-6 压电传感器的等效电路
当两极板聚集异性电荷时，板间就呈现出一定的电压，其大小为
（5-16）
Ua
=
q Ca
（5-17）
因此，压电传感器还可以等效为电压源 Ua 和一个电容器 Ca 的串联电路，如图 5-6(b)。 实际使用时，压电传感器通过导线与测量仪器相连接，连接导线的等效电容 CC、前置放 大器的输入电阻 Ri、输入电容 Ci 对电路的影响就必须一起考虑进去。当考虑了压电元件的绝 缘电阻 Ra 以后，压电传感器完整的等效电路可表示成图 5-7 所示的电压等效电路（a）和电 荷等效电路（b）。这两种等效电路是完全等效的。
Δb
=
−d11
b a
U
x
（5-9）
U x 为其两电极面间的电压， 或用相对应变表示
Ux
=
q12 Cx
=
−d11
b a
Fy Cx
Δb b
=
−d11 E x
（5-10） （5-11）
5.1.3 压电陶瓷的压电效应
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它具有类似铁磁材料磁畴结构的电畴结构。电畴 是分子自发形成的区域，它有一定的极化方向，从而存在一定的电场。在无外电场作用时， 各个电畴在晶体上杂乱分布，它们的极化效应被相互抵消，因此原始的压电陶瓷内极化强度 为零。
代表 2O2-。
当作用力 Fx =0 时，正、负离子（即 Si4+和 2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个 互成 120º 夹角的电偶极矩 P1、P2、P3，因为 P = qL，此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢 量和等于零，即
P1+P2+P3＝0
y
-
+
+ P1
P3 -
x
P2
-
+
Fx －
-
y + + Fx
－－－－－
+++++
x Fy － － － － －
+++++
x Fy + + + + +
-----
(a)
(b)
(c)
(d)
图5-4 石英晶体受力方向与电荷极性关系
如果在同一晶片上作用力是沿着机械轴 y 轴的方向，其电荷仍在与 x 轴垂直平面上出现， 其极性如图 5-4 中（c）、（d）所示，此时电荷的大小为
在 y、z 方向上的分量为
(P1+P2+P3)x> 0
(P1+P2+P3)y = 0
(P1+P2+P3)z= 0 由上面三式可以看出，在 x 轴的正方向出现正电荷，在 y 轴和 z 轴方向则不出现电荷。
当晶体受到沿 x 方向的拉力（Fx ＞0）作用时，电偶极矩 P1 增大，P2、P3 减小，此时它 们在 x、y、z 三个方向上的分量为
(P1+P2+P3)x <0 (P1+P2+P3)y =0
(P1+P2+P3)z =0 在 x 轴的正向出现负电荷，在 y、z 方向依然不出现电荷。 可见，当晶体受到沿 x(电轴)方向的力 Fx 作用时，它在 x 方向产生正压电效应，而 y、z 方向则不产生压电效应。
晶体在 y 轴方向受力 Fy 作用下的情况与 Fx 相似。当 Fy ＞0 时，晶体的形变与图 5-2（b） 相似；当 Fy＜0 时，则与图 5-2（c）相似。由此可见，晶体在 y（即机械轴）方向的力 Fy 作 用下，在 x 方向产生正压电效应，在 y、z 方向同样不产生压电效应。
5.1 压电效应
5.1.1 压电效应及其可逆性
某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在 这种材料的两个表面产生符号相反的电荷。当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态， 这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为 电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。
Ca
Ua
Ra CC
Ri Ci
q Ca Ra CC Ri Ci
(a) 图 5-7 压电传感器的完整等效电路
5.3.3 压电传感器的测量电路 1. 电压放大器
Ca
Ca
-A
(b) -A
Ua
Ra CC
Ri Ci
USC
Ua
R
C
Ui
USC
(a)
(b)
图 5-8 压电传感器接放大器的等效电路
6
压电传感器接电压放大器的等效电路如图 5-8(a)所示。图(b)是简化后的等效电路。 等效电阻R为
当在一定的温度条件下，对压电陶瓷进行极化处理，即以强电场使电畴规则排列，这时 压电陶瓷就具有了压电性，在极化电场去除后，电畴基本上保持不变，留下了很强的剩余极 化。
4
如果在陶瓷片上加一个与极化方向平行的压力 F，陶瓷片将产生压缩形变。片内的正、 负束缚电荷之间的距离变小，极化强度也变小。因此，原来吸附在电极上的自由电荷，有一 部分被释放，而出现放电现象。当压力撤消后，陶瓷片恢复原状(这是一个膨胀过程)，片内 的正、负电荷之间的距离变大，极化强度也变大，因此电极上又吸附一部分自由电荷而出现 充电现象。这种由机械效应转变为电效应，或者由机械能转变为电能的现象，就是压电陶瓷 的正压电效应。
图5-1 石英晶体 (a) 理想石英晶体的外形 (b) 坐标系
1
仍出现在与 x 轴垂直的表面上，这种现象称为“横向压电效应”；当沿着 z 轴方向受力时不
产生压电效应。
2. 石英晶体产生压电效应的微观机理
石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。图 5-2 是一个单元组体中构成石
英晶体的硅离子 Si4+ 和氧离子 O2- 在垂直于 z 轴的 xy 平面上的投影。图中“+”代表 Si4+，“-”
等效电容为
R = Ra Ri Ra + Ri
(5-18)
C = CC + Ci
(5-19)
而由（5-17）式
Ua
=
q Ca
如果在压电元件上沿电轴方向施加交变力 F = F msinωt（式中 Fm 为作用力的幅值），若压 电元件材料是压电陶瓷，其压电系数为 d33，则在外力 F 的作用下，压电元件产生的电荷和 电压均按正弦规律变化。其电压值为
+
－
－
+
+
－
(a)并联
+
+ －
－
(b)串联
图5-5 叠层式压电元件
（5-14）
5
图 5-5(b)为串联形式
q′ = q；U ′ = 2U；C′ = 1 C 2
（5-15）
5.3.2 压电传感器的等效电路
Ca
Ca
压电传感器看成一个电荷源与一个电容并联的
q
电荷发生器，如图 5-6(a)。其电容量为
Ua
——电极面间电容。
也可用相对应变表示为
Δa a