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1880年法国物理学家居里兄弟发现了压电效应。当在石英晶体的某个固定的方向加上压力后,晶体的内部就产生电极化现象,并且在对应的两个表面上分别产生正负电荷。当去除所加的压力后,石英晶振晶体表面的正负电荷又会消失,恢复到原来没有加压力的状态;当所加的压力改为拉力后,晶体表面产生的正负电荷的极性也会随之改变。石英晶振晶体表面所产生的电荷量与所加的压力或拉力的大小成正比。这种将机械能转化为电能的现象就称为正压电效应。

相反,如果在石英晶体的极化方向上外加交变电场时,就会使晶体产生膨胀或缩小的机械变形。当去掉所加的交变电场后,该石英晶振晶体的机械变形也随之消失,恢复到原来的状态。这种电能转变为机械能的现象称为“逆压电效应”.自然界中虽然有很多晶体都具有上述压电效应,但是石英贴片晶振晶体结构简单,做成的振荡器精度高,频率稳定,因此是比较理想的材料。

图2-1是正压电效应和逆压电效应的示意图。表示某一非中心对称的压电石英晶体在某一平面上的投影,当其两侧受到一定外力时的情况。其中(a)表示当石英晶振晶体不受外力时,正电荷与负电荷的中心重合。晶体的电极化强度为0,晶体表面就不带电荷。(b) 表示在(a)中的晶体两侧加上压力后,产生电极化现象。即晶体发生压缩变形使得正电荷与负电荷的中心分离。为此,石英晶振晶体就显示有电偶极距,电极化强度就不再等于0晶体表面分别出现了正、负电荷。(c)中则表示将晶体两侧的压力改为拉力后,因为石英贴片晶振晶体产生膨胀变形后正电荷与负电荷的中心分离方向与(b)中的正好相反,所以晶体两侧表面所带的正、负电荷情况也正好相反。

如果在石英晶振晶体两侧的表面镀上金属电极后, 当在其表面加上压力或拉力时,都可以利用仪表测得晶体两侧表面的电位差。只是金属电极上由于静电感应产生的电荷与石英晶体表面出现的束缚电荷极性相反。如(d)、(e) 所示,它们分别表示(b)、(c)在加压力的面或加拉力的面镀上金属电极的情况。当施加压力或拉力的方向和产生电位差的方向一致时,称为纵向压电效应。也有一些压电材料,施加压力或拉力的方向和产生电位差的方向是垂直的,这种现象则被称为横向压电效应。相反,如果压电石英晶体在电场中,出于电场的作用,使石英晶振晶体正电荷与负电荷的中心发生分离。这种极化现象则会导致石英晶体,石英晶体振荡器的变形,这就是电致变形,也就是逆压电效应.

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晶振作为测量元件时的重要性能参数

石英晶振本身具有很多性能参数,除了前面所提及的串联谐振频率、并联谐振频率外,还有制造公差、拐点温度等,已经有很多文献对此作了论述但对于测量来说,选用石英晶体的重要原因是因为它的高频稳定性和极小的振幅。所以本文只对晶体的品质因数、频率一电流特性、频率一温度特性进行了论述。

  晶体的品质因数Q是晶体的最重要参数。在一定程度上,当其他条件相同时,Q值越高晶体振荡器的频率稳定度越高,石英晶振晶体的品质因数Q是由晶体的动态参数决定的,即：

其中ω为测试系数。

晶振的品质因数通常不作规定,对于标准部件,Q值通常在20000-200000之间,精密晶体可高达5×10°,这比传统的微悬臂的Q值要高100-1000倍。

石英晶体谐振器的频率一电流特性,就是激励电平和谐振频率的关系,它是由石英晶振的物理特性决定的。激励电平通常以晶振的耗散的功率、流过晶振的电流以及晶振两端的电压来量度,晶振电流的变化使其串联谐振频率发生交化。石英晶振的谐振频率相对变化与晶振电流的关系,可以用下面的近似关系表示：

其中D是振的电流常数

从上述关系式可以看出,当激励电平增大时,产生了以下影响:(1)频率产生了漂移,长期稳定性变坏。石英晶振晶振的弹性常数发生了变化,因此引起了频率的漂移,随着晶振的激励电流增高,晶振的频率稳定性显著下降。(2)晶振温度增加。当晶振的激励电平过高时,使得石英贴片晶振被加热到热平衡的温度也引起了频率变化。(3)产生了寄生振荡。(4)等效电阻加大。内部分子运动加剧,使得等效电阻加大,Q值下降。

在实际测量中,当激励电流过大时,石英贴片晶振振荡的幅值过大,导致测量的精度下降,同时不易控制样品表面与针尖之间的距离,所以一般不能采用较高的激励电流。但是激励电平也不能过小,否则由于噪声电平的限制,使瞬态稳定性变坏,这样获得的图像质量就比较差。

晶振的另外一个值得注意的参数是晶振的频率一温度特性,所谓晶振的频率一温度特性就是石英晶振的谐振器的频率随温度变化而变化的特性。晶振的工作温度变化时,晶格变形,从而使得其串联谐振电路发生变化。石英晶体谐振器在温度较窄的范围中,具有较小的温度系数,这就是说频率受温度的变化的影响比较小。但随着温度变得较低(<50°C)和变得较大时(>80°C)时,石英谐振器的频率随着温度的变化有较大的变化。在国外的文献中已经有报道将晶振放在真空、低温、强磁场的环境下进行测量,这时晶振的频率将与常温时有

明显的不同,而且石英晶体谐振器切型不同,晶振频率的变化方向也不同,所以在实验室应该对测试温度和环境加以控制。同时由于测试环境的变化,如何保持仪器的稳定性, 也是一个值得注意的问题。

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