压电晶体

压电晶体，是指非中心对称晶体，在机械力作用下，产生形变，使带电质点发生相对位移，从而在晶体表面出现正、负束缚电荷，这样的晶体称为压电晶体。压电晶体极轴两端产生电势差的性质称为压电性。

简介

有一类十分有趣的晶体，当你对它挤压或拉伸时，它的两端就会产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电效应的晶体就叫压电晶体。水晶（α-石英）是一种有名的压电晶体。常见的压电晶体还有：闪锌矿、方硼石、电气石、红锌矿、GaAs、钛酸钡及其衍生结构晶体、KH2PO4、NaKC4H4O6·4H2O(罗息盐)、食糖等。

压电晶体是用量仅次于单晶硅的电子材料，用于制造选择和控制频率的电子元器件，广泛应用于电子信息产业各领域，如彩电、空调、电脑、DVD、无电线通讯等，尤其在高性能电子设备及数字化设备中应用日益扩大。　低腐蚀隧道密度压电晶体是生产SMD频率片、手机频率片的必需材料。压电晶体产品品种主要有： Z棒、Y棒、厚度片、频率片。

晶体的压电效应

某些晶体，当沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，使带电质点发生相对位移，从而在晶体表面上产生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫压电效应。反之，如对晶体施加电场，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。

压电效应原理

压电性产生的原因与晶体结构有关。原本重合的正、负电荷重心受压后产生分离而形成电偶极子，从而使晶体特定方向的两端带有符号不同的电荷量。

压电晶体的共同特点：晶体点群（对称型）没有对称中心。

晶体的32个点群中，21个点群不具有对称中心，但点群432的晶体不显压电性，故有20个点群的晶体具有压电性。

压电晶体的应用

根据晶振的功能和实现技术的不同，压电晶体广泛用作晶体振荡器。

晶体振荡器

石英晶体振荡器分非温度补偿式晶体振荡器、温度补偿晶体振荡器（TCXO）、电压控制晶体振荡器（VCXO）、恒温控制式晶体振荡器（OCXO）和数字化/μp补偿式晶体振荡器（DCXO/MCXO）等几种类型。

普通晶体振荡器(SPXO)。这是一种简单的晶体振荡器，通常称为钟振，其工作原理为图3中去除“压控”、“温度补偿”和“AGC”部分,完全是由晶体的自由振荡完成。这类晶振主要应用于稳定度要求不高的场合。

压控晶体振荡器(VCXO)。这是根据晶振是否带压控功能来分类，带压控输入引脚的一类晶振叫VCXO。

恒温晶体振荡器(以下简称OCXO)。这类型晶振对温度稳定性的解决方案采用了恒温槽技术，将晶体置于恒温槽内，通过设置恒温工作点，使槽体保持恒温状态，在一定范围内不受外界温度影响，达到稳定输出频率的效果。这类晶振主要用于各种类型的通信设备，包括交换机、SDH传输设备、移动通信直放机、GPS接收机、电台、数字电视及军工设备等领域。根据用户需要，该类型晶振可以带压控引脚。

恒温晶体振荡器原理框图OCXO的主要优点是，由于采用了恒温槽技术，频率温度特性在所有类型晶振中是最好的，由于电路设计精密，其短稳和相位噪声都较好。主要缺点是功耗大、体积大，需要5分钟左右的加热时间才能正常工作等。

温度补偿晶体振荡器(以下简称TCXO)。其对温度稳定性的解决方案采用了一些温度补偿手段，主要原理是通过感应环境温度，将温度信息做适当变换后控制晶振的输出频率，达到稳定输出频率的效果。传统的TCXO是采用模拟器件进行补偿，随着补偿技术的发展，很多数字化补偿大TCXO开始出现，这种数字化补偿的TCXO又叫DTCXO，用单片机进行补偿时我们称之为MCXO，由于采用了数字化技术，这一类型的晶振再温度特性上达到了很高的精度，并且能够适应更宽的工作温度范围，主要应用于军工领域和使用环境恶劣的场合。

身边的压电晶体

压电晶体所能产生的稳定不变的振动正是无线电技术中控制频率所必须的，我们家中的彩色电视机等许多电器设备中都有用压电晶片制作的滤波器，保证了图像和声音的清晰度。你手上戴的石英电子表中有一个核心部件叫石英振子。就是这个关键部件保证了石英表比其他机械表更高的走时准确度。

装有压电晶体元件的仪器使技术人员研究蒸汽机、内燃机及各种化工设备中压力的变化成为现实。利用压电晶体甚至可以测量管道中流体的压力、大炮炮筒在发射炮弹时承受的压力以及炸弹爆炸时的瞬时压力等。

压电晶体还广泛应用于声音的再现、记录和传送。安装在麦克风上的压电晶片会把声音的振动转变为电流的变化。声波一碰到压电薄片，就会使薄片两端电极上产生电荷，其大小和符号随着声音的变化而变化。这种压电晶片上电荷的变化，再通过电子装置，可以变成无线电波传到遥远的地方。这些无线电波为收音机所接收，并通过安放在收音机喇叭上的压电晶体薄片的振动，又变成声音回荡在空中。是不是可以这样说，麦克风中的压电晶片能“听得见”声音，而扬声器上的压电晶体薄片则会“说话”或“唱歌”。

压电石英晶体

石英晶体沿某些特定方向切割所得的石英晶片也具有压电效应。由于石英晶体在压力下产出的电场强度很小，这样仅需很弱的外加电场即可产生形变。这一特性使压电石英晶体很容易在外加交变电场激励下产生谐振，而且振荡能损小，振荡频率极稳定，加上其优良的机械、电气和化学稳定性，使它自40 年代以来就成为石英钟、电子表、电话、电视、电脑等凡与数字电路有关的频率基准而广泛应用。

压电石英晶体液相振荡

自60年代初，压电石英晶体作为质量传感器的应用一直局限于气相中，主要原因是其在液相中振荡一直未获成功。因为晶体在液相中振荡导致的能损远大于气相中的损耗，早期的振荡电路又均是照搬气相中的电路，难免实现不了石英晶体在液相中的振荡。直到1980年，Nomura和Konash 等实现了石英晶体在溶液中的振荡，开辟了压电传感器应用的全新领域。姚守拙等所设计的振荡电路，实现了双面晶体在水溶液及高粘度溶液中的振荡，促进了压电传感器在溶液化学中的应用。

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