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石英晶振的壓電效應分析詳解
1880年法國物理學家居里兄弟發現了壓電效應。當在石英晶體的某個固定的方向加上壓力后,晶體的內部就產生電極化現象,并且在對應的兩個表面上分別產生正負電荷。當去除所加的壓力后,石英晶振晶體表面的正負電荷又會消失,恢復到原來沒有加壓力的狀態;當所加的壓力改為拉力后,晶體表面產生的正負電荷的極性也會隨之改變。石英晶振晶體表面所產生的電荷量與所加的壓力或拉力的大小成正比。這種將機械能轉化為電能的現象就稱為正壓電效應。
相反,如果在石英晶體的極化方向上外加交變電場時,就會使晶體產生膨脹或縮小的機械變形。當去掉所加的交變電場后,該石英晶振晶體的機械變形也隨之消失,恢復到原來的狀態。這種電能轉變為機械能的現象稱為“逆壓電效應”.自然界中雖然有很多晶體都具有上述壓電效應,但是石英貼片晶振晶體結構簡單,做成的振蕩器精度高,頻率穩定,因此是比較理想的材料。
圖2-1是正壓電效應和逆壓電效應的示意圖。表示某一非中心對稱的壓電石英晶體在某一平面上的投影,當其兩側受到一定外力時的情況。其中(a)表示當石英晶振晶體不受外力時,正電荷與負電荷的中心重合。晶體的電極化強度為0,晶體表面就不帶電荷。(b) 表示在(a)中的晶體兩側加上壓力后,產生電極化現象。即晶體發生壓縮變形使得正電荷與負電荷的中心分離。為此,石英晶振晶體就顯示有電偶極距,電極化強度就不再等于0晶體表面分別出現了正、負電荷。(c)中則表示將晶體兩側的壓力改為拉力后,因為石英貼片晶振晶體產生膨脹變形后正電荷與負電荷的中心分離方向與(b)中的正好相反,所以晶體兩側表面所帶的正、負電荷情況也正好相反。
如果在石英晶振晶體兩側的表面鍍上金屬電極后, 當在其表面加上壓力或拉力時,都可以利用儀表測得晶體兩側表面的電位差。只是金屬電極上由于靜電感應產生的電荷與石英晶體表面出現的束縛電荷極性相反。如(d)、(e) 所示,它們分別表示(b)、(c)在加壓力的面或加拉力的面鍍上金屬電極的情況。當施加壓力或拉力的方向和產生電位差的方向一致時,稱為縱向壓電效應。也有一些壓電材料,施加壓力或拉力的方向和產生電位差的方向是垂直的,這種現象則被稱為橫向壓電效應。相反,如果壓電石英晶體在電場中,出于電場的作用,使石英晶振晶體正電荷與負電荷的中心發生分離。這種極化現象則會導致石英晶體,石英晶體振蕩器的變形,這就是電致變形,也就是逆壓電效應.
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