[科普中國(guó)]-壓電石英

壓電石英又稱(chēng)壓電水晶。晶體石英是指成分較純、透明的石英晶體，亦稱(chēng)水晶。一般無(wú)色透明，若含微最色素離子，如Fe、Ti或因原子排列狀態(tài)差異，則可呈紫、黃、煙、茶、淺紅、淡綠等色。晶體石英化學(xué)成分為SiO2。

一般能用于電子工業(yè)制造石英鐘、諧振器、振蕩器、高頻振蕩器、濾波器等壓電石英片。

簡(jiǎn)介壓電石英（piezoquartz）又稱(chēng)“壓電水晶”。指具有壓電效應(yīng)的水晶單晶。作為壓電石英工業(yè)原料的晶體中，不允許有道芬雙晶、巴西雙晶、節(jié)瘤、裂隙、綿、包裹體（固體、氣體、液體）等影響壓電效應(yīng)的缺陷存在。用這種單晶片制成高精度、高比值的壓電石英元件（如諧振器、濾波器等），具有最高的頻率穩(wěn)定性，是現(xiàn)代國(guó)防、電子工業(yè)中的重要部件。具有工業(yè)價(jià)值的壓電石英單晶，為五色透明、不含雜質(zhì)、裂隙等缺陷，并滿(mǎn)足一定幾何尺寸要求的水晶單晶。1

壓電石英特性石英晶體俗稱(chēng)水晶，其化學(xué)成分為SiO2，是單晶體中最具有代表性，同時(shí)也是應(yīng)用最廣的一種壓電晶體，它沒(méi)有熱釋電效應(yīng)，不具有鐵電性，熔點(diǎn)為1 750 ℃，密度為2.65×103 kg/m3，莫氏硬度為7。它的突出優(yōu)點(diǎn)是性能穩(wěn)定，介電系數(shù)和壓電系數(shù)的溫度穩(wěn)定性特別好，其壓電系數(shù)在常溫范圍內(nèi)幾乎不隨溫度變化，在20～200 ℃范圍內(nèi)，溫度每升高1 ℃，壓電系數(shù)d11僅減少0.016%。在常壓下不同溫度時(shí)，石英晶體結(jié)構(gòu)是不同的，在溫度低于573 ℃時(shí)，是α石英晶體；溫度在573～870 ℃時(shí)，是β石英晶體；溫度在870～1 470 ℃時(shí)是鱗石英；溫度達(dá)到1 470℃就轉(zhuǎn)變成方石英。用于制造壓電元器件的主要是α石英晶體。2

石英晶體的壓電效應(yīng)目前發(fā)現(xiàn)自然界中有二十多種晶體具有壓電效應(yīng)，其中最具有代表性，應(yīng)用最廣的是石英晶體。石英晶體是二氧化硅的單晶，熔點(diǎn)1750℃，居里點(diǎn)（壓電材料開(kāi)始喪失壓電特性時(shí)的溫度）為573℃。石英晶體的主要性能特點(diǎn)是：壓電系數(shù)和介電系數(shù)的溫度性能好，常溫下幾乎不變；機(jī)械強(qiáng)度和品質(zhì)因數(shù)高，剛度大，動(dòng)態(tài)特性好；無(wú)熱釋電性，絕緣性好，重復(fù)性好。

天然結(jié)構(gòu)的石英晶體呈正六棱柱狀，兩端為對(duì)稱(chēng)的棱錐，如圖（a）所示。石英晶體同所有其他單晶體一樣，它的大部分物理性能是各個(gè)方向異性的。

我們用三條互相垂直的軸來(lái)表示石英晶體的各個(gè)方向，縱向軸稱(chēng)為光軸（z軸）；經(jīng)過(guò)棱線并垂直于光軸的稱(chēng)為電軸（a軸）；同時(shí)垂直于光軸、電軸的稱(chēng)為機(jī)械軸（y軸）。通常把沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為縱向壓電效應(yīng)；把沿機(jī)械軸方向的力產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱(chēng)為橫向壓電效應(yīng)。在光軸方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。從晶體上切下的一片平行六面體稱(chēng)為壓電晶體切片，如圖（b）所示。切片長(zhǎng)邊平行于y軸的稱(chēng)為x切族，平行于x軸的稱(chēng)為y切族。

在實(shí)際應(yīng)用中，由于石英晶體是各向異性的，沿著不同的方位進(jìn)行切割，就得到不同的幾何切型晶片。每一種切片都以一定幾何切型為依據(jù)，表現(xiàn)出力電轉(zhuǎn)換類(lèi)型、轉(zhuǎn)換效率、壓電系數(shù)、彈性系數(shù)、介電常數(shù)、溫度特性和諧振頻率的不同。這一點(diǎn)與傳感器的設(shè)計(jì)、制造和使用都有密切關(guān)系。拉伸力時(shí)，電荷的極性正好相反。3

石英晶體的壓電機(jī)制石英晶體能夠產(chǎn)生壓電效應(yīng)，與其內(nèi)部的Si4+和O2-正六邊形的排列結(jié)構(gòu)有關(guān)。石英晶體是各向異性體，即在各個(gè)方向上晶體性質(zhì)是不同的。通常把沿電軸X方向作用力下產(chǎn)生電荷的效應(yīng)稱(chēng)為“縱向壓電效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸Y方向作用力下產(chǎn)生電荷的效應(yīng)稱(chēng)為“橫向壓電效應(yīng)”。在光軸Z方向受力時(shí)，不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。

從石英晶體上切下一片晶片，其晶面分別平行于X、Y、Z軸，當(dāng)沿電軸X方向有作用力FX時(shí)，則在與X軸垂直的切面上，產(chǎn)生電荷qX，其大小為

qX =d11·FX

式中，d11為X方向受力、垂直X軸切面上取電荷的壓電系數(shù)。

由上式可知，沿電軸X方向的力作用在晶片上時(shí)，在切面上產(chǎn)生的電荷數(shù)量與晶片幾何尺寸無(wú)關(guān)。

在同一切片上，當(dāng)沿機(jī)械軸Y方向有作用力FY時(shí)，其電荷仍然出現(xiàn)在與X軸垂直的切面上，但極性相反，產(chǎn)生電荷qY其大小為

qY =d12l/tFY

式中，l為晶片長(zhǎng)度，t為晶片厚度，d12=-d11為Y方向受力的壓電系數(shù)。

由上式可知，在晶片上有沿機(jī)械軸Y方向的作用力時(shí)，產(chǎn)生的電荷數(shù)量與晶片幾何尺寸有關(guān)。負(fù)號(hào)說(shuō)明沿Y軸的作用力所引起的電荷極性與沿X軸的作用力所引起的電荷極性相反。

晶片上電荷極性與其受力方向的關(guān)系如圖所示。4

工業(yè)要求及用途壓電水晶，要求石英單晶體的一般塊度要大于12×12×12 mm；當(dāng)?shù)V床含礦品位高時(shí)，塊度可以放寬到8x8×8 mm。礦床評(píng)價(jià)時(shí)的最低工業(yè)品位為：原生礦、露天開(kāi)采的礦山為0.5g/m3，地下開(kāi)采的礦山為3g/m3，砂礦，水采的礦山為0.3g/m3，地下開(kāi)采的礦山為0.5g/m3。

壓電石英可作諧振器、濾波器、廣泛用于自動(dòng)武器、超音速飛機(jī)、導(dǎo)彈、核武器、電子顯微鏡、計(jì)時(shí)儀、電子計(jì)算機(jī)、人造地球衛(wèi)星等的導(dǎo)航、遙控、遙測(cè)、電子、電動(dòng)設(shè)備中。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

李雪梅 - 副教授 - 西南大學(xué)