壓電晶體壓電石英晶體液相振蕩

自60年代初，壓電石英晶體作為質(zhì)量傳感器的應(yīng)用一直局限于氣相中，主要原因是其在液相中振蕩一直未獲成功。因?yàn)榫w在液相中振蕩導(dǎo)致的能損遠(yuǎn)大于氣相中的損耗，早期的振蕩電路又均是照搬氣相中的電路，難免實(shí)現(xiàn)不了石英晶體在液相中的振蕩。直到1980年，Nomura和Konash 等實(shí)現(xiàn)了石英晶體在溶液中的振蕩，開(kāi)辟了壓電傳感器應(yīng)用的全新領(lǐng)域。姚守拙等所設(shè)計(jì)的振蕩電路，實(shí)現(xiàn)了雙面晶體在水溶液及高粘度溶液中的振蕩，促進(jìn)了壓電傳感器在溶液化學(xué)中的應(yīng)用 。2100433B

石英晶體沿某些特定方向切割所得的石英晶片也具有壓電效應(yīng)。由于石英晶體在壓力下產(chǎn)出的電場(chǎng)強(qiáng)度很小，這樣僅需很弱的外加電場(chǎng)即可產(chǎn)生形變。這一特性使壓電石英晶體很容易在外加交變電場(chǎng)激勵(lì)下產(chǎn)生諧振，而且振蕩能損小，振蕩頻率極穩(wěn)定，加上其優(yōu)良的機(jī)械、電氣和化學(xué)穩(wěn)定性，使它自40 年代以來(lái)就成為石英鐘、電子表、電話(huà)、電視、電腦等凡與數(shù)字電路有關(guān)的頻率基準(zhǔn)而廣泛應(yīng)用。

根據(jù)晶振的功能和實(shí)現(xiàn)技術(shù)的不同，壓電晶體廣泛用作晶體振蕩器。

壓電晶體晶體振蕩器

石英晶體振蕩器分非溫度補(bǔ)償式晶體振蕩器、溫度補(bǔ)償晶體振蕩器（TCXO）、電壓控制晶體振蕩器（VCXO）、恒溫控制式晶體振蕩器（OCXO）和 數(shù)字化/μp補(bǔ)償式晶體振蕩器（DCXO/MCXO）等幾種類(lèi)型。

普通晶體振蕩器(SPXO)。 這是一種簡(jiǎn)單的晶體振蕩器，通常稱(chēng)為鐘振，其工作原理為圖3中去除“壓控”、“溫度補(bǔ)償”和“AGC”部分,完全是由晶體的自由振蕩完成。這類(lèi)晶振主要應(yīng)用于穩(wěn)定度要求不高的場(chǎng)合。

壓控晶體振蕩器(VCXO)。 這是根據(jù)晶振是否帶壓控功能來(lái)分類(lèi)，帶壓控輸入引腳的一類(lèi)晶振叫VCXO。

恒溫晶體振蕩器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)OCXO)。 這類(lèi)型晶振對(duì)溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了恒溫槽技術(shù)，將晶體置于恒溫槽內(nèi)，通過(guò)設(shè)置恒溫工作點(diǎn)，使槽體保持恒溫狀態(tài)，在一定范圍內(nèi)不受外界溫度影響，達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。這類(lèi)晶振主要用于各種類(lèi)型的通信設(shè)備，包括交換機(jī)、SDH傳輸設(shè)備、移動(dòng)通信直放機(jī)、GPS接收機(jī)、電臺(tái)、數(shù)字電視及軍工設(shè)備等領(lǐng)域。根據(jù)用戶(hù)需要，該類(lèi)型晶振可以帶壓控引腳。

恒溫晶體振蕩器原理框圖OCXO的主要優(yōu)點(diǎn)是，由于采用了恒溫槽技術(shù)，頻率溫度特性在所有類(lèi)型晶振中是最好的，由于電路設(shè)計(jì)精密，其短穩(wěn)和相位噪聲都較好。主要缺點(diǎn)是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時(shí)間才能正常工作等。

溫度補(bǔ)償晶體振蕩器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)TCXO)。 其對(duì)溫度穩(wěn)定性的解決方案采用了一些溫度補(bǔ)償手段，主要原理是通過(guò)感應(yīng)環(huán)境溫度，將溫度信息做適當(dāng)變換后控制晶振的輸出頻率，達(dá)到穩(wěn)定輸出頻率的效果。傳統(tǒng)的TCXO是采用模擬器件進(jìn)行補(bǔ)償，隨著補(bǔ)償技術(shù)的發(fā)展，很多數(shù)字化補(bǔ)償大TCXO開(kāi)始出現(xiàn)，這種數(shù)字化補(bǔ)償?shù)腡CXO又叫DTCXO，用單片機(jī)進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)我們稱(chēng)之為MCXO，由于采用了數(shù)字化技術(shù)，這一類(lèi)型的晶振再溫度特性上達(dá)到了很高的精度，并且能夠適應(yīng)更寬的工作溫度范圍，主要應(yīng)用于軍工領(lǐng)域和使用環(huán)境惡劣的場(chǎng)合。

壓電晶體身邊的壓電晶體

壓電晶體所能產(chǎn)生的穩(wěn)定不變的振動(dòng)正是無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中控制頻率所必須的，我們家中的彩色電視機(jī)等許多電器設(shè)備中都有用壓電晶片制作的濾波器，保證了圖像和聲音的清晰度。你手上戴的石英電子表中有一個(gè)核心部件叫石英振子。就是這個(gè)關(guān)鍵部件保證了石英表比其他機(jī)械表更高的走時(shí)準(zhǔn)確度。

裝有壓電晶體元件的儀器使技術(shù)人員研究蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)及各種化工設(shè)備中壓力的變化成為現(xiàn)實(shí)。利用壓電晶體甚至可以測(cè)量管道中流體的壓力、大炮炮筒在發(fā)射炮彈時(shí)承受的壓力以及炸彈爆炸時(shí)的瞬時(shí)壓力等。

壓電晶體還廣泛應(yīng)用于聲音的再現(xiàn)、記錄和傳送。安裝在麥克風(fēng)上的壓電晶片會(huì)把聲音的振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?。聲波一碰到壓電薄片，就?huì)使薄片兩端電極上產(chǎn)生電荷，其大小和符號(hào)隨著聲音的變化而變化。這種壓電晶片上電荷的變化，再通過(guò)電子裝置，可以變成無(wú)線(xiàn)電波傳到遙遠(yuǎn)的地方。這些無(wú)線(xiàn)電波為收音機(jī)所接收，并通過(guò)安放在收音機(jī)喇叭上的壓電晶體薄片的振動(dòng)，又變成聲音回蕩在空中。是不是可以這樣說(shuō)，麥克風(fēng)中的壓電晶片能“聽(tīng)得見(jiàn)”聲音，而揚(yáng)聲器上的壓電晶體薄片則會(huì)“說(shuō)話(huà)”或“唱歌”。

壓電性產(chǎn)生的原因與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。原本重合的正、負(fù)電荷重心受壓后產(chǎn)生分離而形成電偶極子，從而使晶體特定方向的兩端帶有符號(hào)不同的電荷量。

壓電晶體的共同特點(diǎn)：晶體點(diǎn)群（對(duì)稱(chēng)型）沒(méi)有對(duì)稱(chēng)中心。

晶體的32個(gè)點(diǎn)群中，21個(gè)點(diǎn)群不具有對(duì)稱(chēng)中心，但點(diǎn)群432的晶體不顯壓電性，故有20個(gè)點(diǎn)群的晶體具有壓電性。

某些晶體，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，使帶電質(zhì)點(diǎn)發(fā)生相對(duì)位移，從而在晶體表面上產(chǎn)生大小相等符號(hào)相反的電荷 ；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。這種現(xiàn)象叫壓電效應(yīng)。反之，如對(duì)晶體施加電場(chǎng)，晶體將在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去后，該變形也隨之消失。這種現(xiàn)象稱(chēng)為逆壓電效應(yīng)，也稱(chēng)作電致伸縮效應(yīng)。

有一類(lèi)十分有趣的晶體，當(dāng)你對(duì)它擠壓或拉伸時(shí)，它的兩端就會(huì)產(chǎn)生不同的電荷。這種效應(yīng)被稱(chēng)為壓電效應(yīng)。能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的晶體就叫壓電晶體。水晶（α-石英）是一種有名的壓電晶體。常見(jiàn)的壓電晶體還有：閃鋅礦、方硼石、電氣石、紅鋅礦、GaAs、鈦酸鋇及其衍生結(jié)構(gòu)晶體、KH2PO4、NaKC4H4O6·4H2O(羅息鹽)、食糖等。

壓電晶體是用量?jī)H次于單晶硅的電子材料，用于制造選擇和控制頻率的電子元器件，廣泛應(yīng)用于電子信息產(chǎn)業(yè)各領(lǐng)域，如彩電、空調(diào)、電腦、DVD、無(wú)電線(xiàn)通訊等，尤其在高性能電子設(shè)備及數(shù)字化設(shè)備中應(yīng)用日益擴(kuò)大。 　低腐蝕隧道密度壓電晶體是生產(chǎn)SMD頻率片、手機(jī)頻率片的必需材料。 壓電晶體產(chǎn)品品種主要有： Z棒、Y棒、厚度片、頻率片。

有一類(lèi)十分有趣的晶體，當(dāng)你對(duì)它擠壓或拉伸時(shí)，它的兩端就會(huì)產(chǎn)生不同的電荷。這種效應(yīng)被稱(chēng)為壓電效應(yīng)。能產(chǎn)生壓電效應(yīng)的晶體就叫壓電晶體。水晶（α-石英）是一種有名的壓電晶體。

如果按一定方向?qū)λЬw上切下的薄片施加壓力，那么在此薄片上將會(huì)產(chǎn)生電荷。如果按相反方向拉伸這一薄片，在此薄片上也會(huì)出現(xiàn)電荷，不過(guò)符號(hào)相反。擠壓或拉伸的力愈大，晶體上的電荷也會(huì)愈多。如果在薄片的兩端鍍上電極，并通以交流電，那么薄片將會(huì)作周期性的伸長(zhǎng)或縮短，即開(kāi)始振動(dòng)。這種逆壓電效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)中已得到了廣泛的應(yīng)用。用水晶可以制作壓電石英薄片，其面積不過(guò)數(shù)平方毫米，厚度則只有零點(diǎn)幾毫米。別小看這小小的晶片，它在無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中卻發(fā)揮著巨大作用。如前所述，在交變電場(chǎng)中，這種薄片的振動(dòng)頻率絲毫不變。這種穩(wěn)定不變的振動(dòng)正是無(wú)線(xiàn)電技術(shù)中控制頻率所必須的，你家中的彩色電視機(jī)等許多電器設(shè)備中都有用壓電晶片制作的濾波器，保證了圖像和聲音的清晰度。你手上戴的石英電子表中有一個(gè)核心部件叫石英振子。就是這個(gè)關(guān)鍵部件保證了石英表比其他機(jī)械表更高的走時(shí)準(zhǔn)確度。

裝有壓電晶體元件的儀器使技術(shù)人員研究蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)及各種化工設(shè)備中壓力的變化成為現(xiàn)實(shí)。利用壓電晶體甚至可以測(cè)量管道中流體的壓力、大炮炮筒在發(fā)射炮彈時(shí)承受的壓力以及炸彈爆炸時(shí)的瞬時(shí)壓力等。

壓電晶體還廣泛應(yīng)用于聲音的再現(xiàn)、記錄和傳送。安裝在麥克風(fēng)上的壓電晶片會(huì)把聲音的振動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娏鞯淖兓?。聲波一碰到壓電薄片，就?huì)使薄片兩端電極上產(chǎn)生電荷，其大小和符號(hào)隨著聲音的變化而變化。這種壓電晶片上電荷的變化，再通過(guò)電子裝置，可以變成無(wú)線(xiàn)電波傳到遙遠(yuǎn)的地方。這些無(wú)線(xiàn)電波為收音機(jī)所接收，并通過(guò)安放在收音機(jī)喇叭上的壓電晶體薄片的振動(dòng)，又變成聲音回蕩在空中。是不是可以這樣說(shuō)，麥克風(fēng)中的壓電晶片能“聽(tīng)得見(jiàn)”聲音，而揚(yáng)聲器上的壓電晶體薄片則會(huì)“說(shuō)話(huà)” 或“唱歌”。

壓電晶體是具有壓電效應(yīng)的晶體。一般是絕緣介質(zhì)。

用于制造高選擇性濾波器、大功率超聲波發(fā)生器、存儲(chǔ)器、測(cè)壓元件、水聲換能器、聲表面延遲器件、壓電發(fā)電機(jī)和壓電變壓器等儀器。

• 單晶壓電晶體：

• 包括BaTiO₃、KNbO₃、SiO₂、KH₂PO₄等

• 多晶壓電晶體：

• 如PbTiZrO₃等

• 半導(dǎo)體壓電晶體：

• 包括CdS、GaAs等。