淺析石英晶體的壓電效應及應用

摘 要：文章通過對石英晶體結構、特性的描述，詳細闡述了其壓電效應機理及應用，提出了其存在的問題，介紹了其發展前景。

關鍵詞：石英晶體 壓電效應 應用

石英是礦物質硅石的一種，化學成分是SiO2，形狀為結晶的六角錐體，是一種物理特性和化學特性都十分穩定的物質。隨著近代科學技術的發展，人們對石英晶體材料進行了廣泛的研究，而利用其壓電效應研制出的揩振器、傳感器等器件，在工業生產及無線電技術中發揮著巨大的作用。

一、石英晶體的壓電效應機理

當石英晶體在某個方向受到外力的作用而變形時，其內部就會產生極化現象，同時在其表面會產生極性相反的電荷；當外力消失時，又恢復到不帶電狀態，當外力方向改變時，電荷極性也隨之改變，這種現象稱之為壓電效應。反之，當石英晶體受到交變電場作用時，晶體將在一定方向上產生機械變形；當外加電場撤去后，該變形也隨之消失。這種現象稱為逆壓電效應，也稱作電致伸縮效應。具有壓電效應的晶體稱之為壓電晶體，典型的壓電晶體就是石英晶體，壓電效應就是在石英晶體中被發現的。

二、石英晶體的應用

1.石英晶體振蕩器

石英晶體振蕩器是使用石英晶體作為諧振選頻電路的振蕩器。將石英晶體按一定的角切成薄片，在晶體切片的表面上裝上一對金屬極板，這樣就制成了石英晶體振蕩器。

石英晶體振蕩器是基于逆壓電效應原理制成的。當石英晶體受到交變電場時，石英晶體便會產生機械振動。由于石英晶體具有一定的固有振動頻率，當外加電場頻率等于其固有頻率時，便會產生諧振。這就是石英晶體可以作為諧振選頻電路的基本原因。石英晶體振蕩器具有極高的頻率穩定度，因而廣泛使用于要求頻率穩定度高的設備中，例如標準頻率發生器、脈沖計數器等。

2.壓電式力傳感器

壓電式力傳感器是利用石英晶體等壓電材料的壓電效應制成的一種力敏傳感器。當壓電傳感器受到外力時，其內部的壓電元件在力的作用下發生變形，表面即產生電荷，只要測得其產生的電荷量，就可以得到作用力的大小，這就是壓電傳感器的基本工作原理。壓電傳感器可以對各種動態力、加速度、機械沖擊和振動進行測量，因而在聲學、力學、文物保護及導航等方面都得到了廣泛的應用。

3.壓電式超聲波傳感器

超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波。它具有波長短、繞射現象小、指向性強、衰減小、穿透力強等特性。超聲波傳感器就是利用超聲波的特性研制而成的傳感器，它被廣泛應用于檢測物距、厚度、探傷、流量等領域中。

壓電式超聲波傳感器一般由超聲波發生器和超聲波接收器兩部分組成。超聲波發生器又稱為發射探頭，是產生并發射超聲波的裝置。它是利用石英晶體的逆壓電效應制成的，即在石英晶體切片上施加交變電壓時，會使它發生電致伸縮振動，從而產生超聲波。當外加交變電壓的頻率與石英晶片的固有頻率相同時，會產生共振現象，這時壓電超聲波發生器產生的超聲波最強。壓電式超聲波接收器也稱接收探頭，當超聲波作用于接收探頭中的壓電晶片上時，使壓電晶片發生機械形變而伸縮，則在壓電晶片的兩個面上產生交變電荷，這種電荷被轉換成電壓信號，經放大后送到測量回路，最后再記錄或顯示出測量結果。

4.石英晶體微天平

石英晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance-QCM）又叫壓電石英生物傳感器，是一種基于石英晶體的壓電效應對其電極表面質量變化進行測量的儀器。其發展始于上世紀60年代初期，是一種非常靈敏的質量檢測儀器，其測量精度可達納克級。

QCM的核心是一種沿著與石英晶體主光軸成35o15′切割而成的石英晶體振蕩片。在石英晶片兩側的電極施以交變電壓時，石英晶體會產生機械振蕩，當交變電壓的頻率與石英晶體的固有頻率相同時，產生壓電諧振。若石英晶體表面沉積了一定質量的物質，其振蕩頻率就會發生相應的變化，而頻率的改變正比于壓電石英體質量的增加。

石英晶體微天平就是利用了石英晶體諧振器的壓電特性，將石英晶振電極表面質量的變化轉化為石英晶體振蕩電路輸出電信號的頻率變化，進而通過計算機等其他輔助設備獲得高精度的數據。石英晶體微天平在醫療、化工、食品、生物醫學、環境監測、工業、軍事等領域中均得到了廣泛的應用。

總之，石英晶體作為天然礦物質，正發揮著它的積極作用。但由于天然石英資源有限，價格較貴，所以，目前人們正大量使用成本較低的人造石英晶體。人造和天然石英晶體的物理、化學性質幾乎沒有多大區別，居里點都為573℃，并有很高的機械強度和穩定的力學性能，因而越來越受到人們的青瞇而得到廣泛的應用。

（作者單位：遼寧省本溪市機電工程學校）