压电石英

具有压电效应的水晶单晶

压电石英又称压电水晶。晶体石英是指成分较纯、透明的石英晶体，亦称水晶。一般无色透明，若含微最色素离子，如Fe、Ti或因原子排列状态差异，则可呈紫、黄、烟、茶、浅红、淡绿等色。晶体石英化学成分为SiO2。

晶体介绍

压电石英（piezoquartz）又称“压电水晶”。指具有压电效应的水晶单晶。作为压电石英工业原料的晶体中，不允许有道芬双晶、巴西双晶、节瘤、裂隙、绵、包裹体（固体、气体、液体）等影响压电效应的缺陷存在。用这种单晶片制成高精度、高比值的压电石英元件（如谐振器、滤波器等），具有最高的频率稳定性，是现代国防、电子工业中的重要部件。具有工业价值的压电石英单晶，为无色透明、不含杂质、裂隙等缺陷，并满足一定几何尺寸要求的水晶单晶。

特性

石英晶体俗称水晶，其化学成分为SiO2，是单晶体中最具有代表性，同时也是应用最广的一种压电晶体，它没有热释电效应，不具有铁电性，熔点为1 750 ℃，密度为2.65×103 kg/m3，莫氏硬度为7。它的突出优点是性能稳定，介电系数和压电系数的温度稳定性特别好，其压电系数在常温范围内几乎不随温度变化，在20～200 ℃范围内，温度每升高1 ℃，压电系数d11仅减少0.016%。在常压下不同温度时，石英晶体结构是不同的，在温度低于573 ℃时，是α石英晶体；温度在573～870 ℃时，是β石英晶体；温度在870～1 470 ℃时是鳞石英；温度达到1 470℃就转变成方石英。用于制造压电元器件的主要是α石英晶体。

压电效应

自然界中有二十多种晶体具有压电效应，其中最具有代表性，应用最广的是石英晶体。石英晶体是二氧化硅的单晶，熔点1750℃，居里点（压电材料开始丧失压电特性时的温度）为573℃。石英晶体的主要性能特点是：压电系数和介电系数的温度性能好，常温下几乎不变；机械强度和品质因数高，刚度大，动态特性好；无热释电性，绝缘性好，重复性好。

天然结构的石英晶体呈正六棱柱状，两端为对称的棱锥，如图1中（a）所示。石英晶体同所有其他单晶体一样，它的大部分物理性能是各个方向异性的。

我们用三条互相垂直的轴来表示石英晶体的各个方向，纵向轴称为光轴（z轴）；经过棱线并垂直于光轴的称为电轴（a轴）；同时垂直于光轴、电轴的称为机械轴（y轴）。通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为纵向压电效应；把沿机械轴方向的力产生电荷的压电效应称为横向压电效应。在光轴方向受力时不产生压电效应。从晶体上切下的一片平行六面体称为压电晶体切片，如图1（b）所示。切片长边平行于y轴的称为x切族，平行于x轴的称为y切族。

在实际应用中，由于石英晶体是各向异性的，沿着不同的方位进行切割，就得到不同的几何切型晶片。每一种切片都以一定几何切型为依据，表现出力电转换类型、转换效率、压电系数、弹性系数、介电常数、温度特性和谐振频率的不同。这一点与传感器的设计、制造和使用都有密切关系。拉伸力时，电荷的极性正好相反。

压电机制

石英晶体能够产生压电效应，与其内部的Si4+和O2-正六边形的排列结构有关。石英晶体是各向异性体，即在各个方向上晶体性质是不同的。通常把沿电轴X方向作用力下产生电荷的效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴Y方向作用力下产生电荷的效应称为“横向压电效应”。在光轴Z方向受力时，不产生压电效应。

从石英晶体上切下一片晶片，其晶面分别平行于X、Y、Z轴，当沿电轴X方向有作用力FX时，则在与X轴垂直的切面上，产生电荷qX，其大小为

qX =d11·FX

式中，d11为X方向受力、垂直X轴切面上取电荷的压电系数。

由上式可知，沿电轴X方向的力作用在晶片上时，在切面上产生的电荷数量与晶片几何尺寸无关。

在同一切片上，当沿机械轴Y方向有作用力FY时，其电荷仍然显示在与X轴垂直的切面上，但极性相反，产生电荷qY其大小为

qY =d12l/tFY

式中，l为晶片长度，t为晶片厚度，d12=-d11为Y方向受力的压电系数。

由上式可知，在晶片上有沿机械轴Y方向的作用力时，产生的电荷数量与晶片几何尺寸有关。负号说明沿Y轴的作用力所引起的电荷极性与沿X轴的作用力所引起的电荷极性相反。

晶片上电荷极性与其受力方向的关系如图2所示。