石英晶体的压电特性探究

目前，传感器中使用的均是居里点为573°C、六角晶系结构的α-石英，其外形呈六角棱柱体，如图5.3所示。

图5.3　石英晶体的结构

石英晶体各个方向的特性是不同的。在三维直角坐标系中，z轴被称为晶体的光轴，x轴为电轴，y轴为机械轴。电轴（x轴）穿过六棱柱的棱线，在垂直于此轴的面上压电效应最强；机械轴（y轴）表示石英晶体在电场的作用下，沿该轴方向的机械变形最明显；光轴（z轴）也叫中性轴，光线沿该轴通过石英晶体时无折射，沿z轴方向施加作用力不产生压电效应。

如图5.4所示，从石英晶体上沿y方向切下一块晶体片，当在电轴x方向施加作用力fx时，在与电轴（x）垂直的平面上将产生电荷qx，其大小为

图5.4　石英晶体的剖面图(www.xing528.com)

式中，d11是石英晶体在x轴受力时的压电系数。

若沿机械轴y方向施加作用力fy，则在与x轴垂直的平面上将产生电荷，其大小为

式中，dl2是y轴方向受力的压电系数，因石英轴对称，所以d12=-d11；a、b分别为晶体片的长度和厚度。

电荷qx和qy的符号是由受压力还是拉力来决定。qx的大小与晶体片的几何尺寸无关，而qy则与晶体片几何尺寸有关。图5.5表示晶体切片在x轴和y轴方向受拉力和压力的具体情况。

图5.5　晶体片上电荷极性与受力方向的关系

如果在片状压电晶体材料的两个电极面上加以交流电压，那么石英晶体片将产生机械振动，即晶体片在电极方向有伸长和缩短现象，这种电致伸缩现象即为逆压电效应。