石英晶体微天平
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2023年2月27日发(作者：ivtec)D
ＯＣＣＵＰＡＴＩＯＮ
201301
136
大家谈ISCUSSION
浅析石英晶体的压电效应及应用
王秋菊
摘 要：
文章通过对石英晶体结构、特性的描述，详细阐述了其压电效应机理及应用，提出了其存在的问题，介绍了
其发展前景。
关键词：
石英晶体 压电效应 应用
石英是矿物质硅石的一种，化学成分是SiO
2
，形状为
结晶的六角锥体，是一种物理特性和化学特性都十分稳定
的物质。随着近代科学技术的发展，人们对石英晶体材料
进行了广泛的研究，而利用其压电效应研制出的揩振器、
传感器等器件，在工业生产及无线电技术中发挥着巨大的
作用。
一、石英晶体的压电效应机理
当石英晶体在某个方向受到外力的作用而变形时，
其内部就会产生极化现象，同时在其表面会产生极性相反
的电荷；当外力消失时，又恢复到不带电状态，当外力方
向改变时，电荷极性也随之改变，这种现象称之为压电效
应。反之，当石英晶体受到交变电场作用时，晶体将在一
定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形也随
之消失。这种现象称为逆压电效应，也称作电致伸缩效
应。具有压电效应的晶体称之为压电晶体，典型的压电晶
体就是石英晶体，压电效应就是在石英晶体中被发现的。
二、石英晶体的应用
1.石英晶体振荡器
石英晶体振荡器是使用石英晶体作为谐振选频电路
的振荡器。将石英晶体按一定的角切成薄片，在晶体切片
的表面上装上一对金属极板，这样就制成了石英晶体振荡
器。
石英晶体振荡器是基于逆压电效应原理制成的。当
石英晶体受到交变电场时，石英晶体便会产生机械振动。
由于石英晶体具有一定的固有振动频率，当外加电场频率
等于其固有频率时，便会产生谐振。这就是石英晶体可以
作为谐振选频电路的基本原因。石英晶体振荡器具有极高
的频率稳定度，因而广泛使用于要求频率稳定度高的设备
中，例如标准频率发生器、脉冲计数器等。
2.压电式力传感器
压电式力传感器是利用石英晶体等压电材料的压电
效应制成的一种力敏传感器。当压电传感器受到外力时，
其内部的压电元件在力的作用下发生变形，表面即产生电
荷，只要测得其产生的电荷量，就可以得到作用力的大
小，这就是压电传感器的基本工作原理。压电传感器可以
对各种动态力、加速度、机械冲击和振动进行测量，因而
在声学、力学、文物保护及导航等方面都得到了广泛的应
用。
3.压电式超声波传感器
超声波是一种振动频率高于声波的机械波。它具有波
长短、绕射现象小、指向性强、衰减小、穿透力强等特性。
超声波传感器就是利用超声波的特性研制而成的传感器，它
被广泛应用于检测物距、厚度、探伤、流量等领域中。
压电式超声波传感器一般由超声波发生器和超声波接
收器两部分组成。超声波发生器又称为发射探头，是产生
并发射超声波的装置。它是利用石英晶体的逆压电效应制
成的，即在石英晶体切片上施加交变电压时，会使它发生
电致伸缩振动，从而产生超声波。当外加交变电压的频率
与石英晶片的固有频率相同时，会产生共振现象，这时压
电超声波发生器产生的超声波最强。压电式超声波接收器
也称接收探头，当超声波作用于接收探头中的压电晶片上
时，使压电晶片发生机械形变而伸缩，则在压电晶片的两
个面上产生交变电荷，这种电荷被转换成电压信号，经放
大后送到测量回路，最后再记录或显示出测量结果。
4.石英晶体微天平
石英晶体微天平（QuartzCrystalMicrobalance－
QCM）又叫压电石英生物传感器，是一种基于石英晶体的压
电效应对其电极表面质量变化进行测量的仪器。其发展始
于上世纪60年代初期，是一种非常灵敏的质量检测仪器，
其测量精度可达纳克级。
QCM的核心是一种沿着与石英晶体主光轴成35º15´切割
而成的石英晶体振荡片。在石英晶片两侧的电极施以交变
电压时，石英晶体会产生机械振荡，当交变电压的频率与
石英晶体的固有频率相同时，产生压电谐振。若石英晶体
表面沉积了一定质量的物质，其振荡频率就会发生相应的
变化，而频率的改变正比于压电石英体质量的增加。
石英晶体微天平就是利用了石英晶体谐振器的压电特
性，将石英晶振电极表面质量的变化转化为石英晶体振荡电路
输出电信号的频率变化，进而通过计算机等其他辅助设备获得
高精度的数据。石英晶体微天平在医疗、化工、食品、生物医
学、环境监测、工业、军事等领域中均得到了广泛的应用。
总之，石英晶体作为天然矿物质，正发挥着它的积极
作用。但由于天然石英资源有限，价格较贵，所以，目前
人们正大量使用成本较低的人造石英晶体。人造和天然石
英晶体的物理、化学性质几乎没有多大区别，居里点都为
573℃，并有很高的机械强度和稳定的力学性能，因而越来
越受到人们的青眯而得到广泛的应用。
（作者单位：辽宁省本溪市机电工程学校）
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