压电石英晶体 ppt课件
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石英晶体元器件简介演示
技术创新
未来石英晶体元器件将不断涌现出新的技术创新，推动市场不断升 级和变革。
行业整合
随着市场竞争的加剧，石英晶体元器件行业将出现整合现象，优势企 业将进一步巩固市场地位。
05
石英晶体元器件的选型与使用 注意事项
选型原则与标准
性能参数匹配
选择满足电路性能要求的石英晶 体元器件，确保其频率、温度系 数、负载电容等参数符合设计要 求。
通过石英晶体元器件，可以确保电子 设备中的电路运行在准确的频率上， 从而提高设备的性能和稳定性。
石英晶体传感器的应用
石英晶体传感器利用石英晶体的压电效应，将物理量（如压力、加速度、温度等 ）转换为电信号。
这些传感器在工业自动化、环境监测、航空航天等领域有广泛应用，用于测量和 监控各种物理量。
石英晶体谐振器的应用
石英晶体谐振器利用石英晶体的振荡特性，产生高精度和高 稳定的振荡信号。
在各种电子设备和通信系统中，石英晶体谐振器被用作时钟 源或参考频率源，确保系统正常运行。
03
石英晶体元器件的制造工艺
石英晶体元器件的制造工艺
• 石英晶体元器件，也称为石英晶体振荡器（Quartz Crystal Oscillator, QCO），是一种利用石英晶体（通常为天然或人造 石英）的压电效应产生振荡的电子元件。由于其具有高精度、 高稳定性和长寿命等优点，石英晶体元器件广泛应用于通讯、 导航、计算机、家电及工业控制等领域。
04
石英晶体元器件的市场与发展 趋势
市场需求与竞争格局
市场需求
随着电子设备的发展，石英晶体元器件市场需求持续增长，尤其在通信、导航 、消费电子等领域。
竞争格局
石英晶体元器件市场呈现多极化竞争格局，国内外知名品牌和中小企业均有参 与，竞争激烈。
未来石英晶体元器件将不断涌现出新的技术创新，推动市场不断升 级和变革。
行业整合
随着市场竞争的加剧，石英晶体元器件行业将出现整合现象，优势企 业将进一步巩固市场地位。
05
石英晶体元器件的选型与使用 注意事项
选型原则与标准
性能参数匹配
选择满足电路性能要求的石英晶 体元器件，确保其频率、温度系 数、负载电容等参数符合设计要 求。
通过石英晶体元器件，可以确保电子 设备中的电路运行在准确的频率上， 从而提高设备的性能和稳定性。
石英晶体传感器的应用
石英晶体传感器利用石英晶体的压电效应，将物理量（如压力、加速度、温度等 ）转换为电信号。
这些传感器在工业自动化、环境监测、航空航天等领域有广泛应用，用于测量和 监控各种物理量。
石英晶体谐振器的应用
石英晶体谐振器利用石英晶体的振荡特性，产生高精度和高 稳定的振荡信号。
在各种电子设备和通信系统中，石英晶体谐振器被用作时钟 源或参考频率源，确保系统正常运行。
03
石英晶体元器件的制造工艺
石英晶体元器件的制造工艺
• 石英晶体元器件，也称为石英晶体振荡器（Quartz Crystal Oscillator, QCO），是一种利用石英晶体（通常为天然或人造 石英）的压电效应产生振荡的电子元件。由于其具有高精度、 高稳定性和长寿命等优点，石英晶体元器件广泛应用于通讯、 导航、计算机、家电及工业控制等领域。
04
石英晶体元器件的市场与发展 趋势
市场需求与竞争格局
市场需求
随着电子设备的发展，石英晶体元器件市场需求持续增长，尤其在通信、导航 、消费电子等领域。
竞争格局
石英晶体元器件市场呈现多极化竞争格局，国内外知名品牌和中小企业均有参 与，竞争激烈。
最新压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料(石英晶体和压...10PPT课件
压电式传感器的工作原理是基 于某些介质材料（石英晶体和
压...10
第一部分 压电传感器
一、 压电效应
某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形 时, 其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相 对位移）, 同时在它的两个表面上便产生符号相反 的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。当作用力方向改变时, 电荷 的极性也随之改变。 这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。
Ca
r0S
压电元件受外力时，两表面产生等量的正 负电荷，压电元件的开路电压为：
Q U
Ca
压电传感器也可以 等效为一个电荷源 与一个电容并联。
(a)电荷源
压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。 电压源
电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：
ku
kq Ca
测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大 器，前置放大器作用：
l
l
qx d12hFy d11hFy
式中: d12——y轴方向受力的压电系数, d12=－d11;
l、 h——晶体切片长度和厚度。 产生的电荷与几何尺寸有关。 压电效应为横向压电效应。
压电效应的物理解释
石英晶体sio2，3个硅离子Si4+离子, 6个氧离子 O2-。两两成对。微观分子结构为一个正六边形。 垂直于X轴端面有无数个此分子结构。
力与电荷的关系
y 方向切下一块 如图 所示晶片, 当在电轴方向施加 作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上 将产生电荷, 其大小为
qx = d11 fxห้องสมุดไป่ตู้
式中: d11 ——x方向受力的压电系数;
fx——作用力
产生的电荷与几何尺寸无关。纵向 压电效应。
压...10
第一部分 压电传感器
一、 压电效应
某些电介质, 当沿着一定方向对其施力而使它变形 时, 其内部就产生极化现象（内部正负电荷中心相 对位移）, 同时在它的两个表面上便产生符号相反 的电荷, 当外力去掉后, 其又重新恢复到不带电状态， 这种现象称压电效应。当作用力方向改变时, 电荷 的极性也随之改变。 这种机械能转为电能的现象, 称为“正压电效应” 。
Ca
r0S
压电元件受外力时，两表面产生等量的正 负电荷，压电元件的开路电压为：
Q U
Ca
压电传感器也可以 等效为一个电荷源 与一个电容并联。
(a)电荷源
压电传感器也可以等效为一个与电容相串联的电压源。 电压源
电压灵敏度与电荷灵敏度之间的关系为：
ku
kq Ca
测量时，需把压电传感器用电缆接于前置放大 器，前置放大器作用：
l
l
qx d12hFy d11hFy
式中: d12——y轴方向受力的压电系数, d12=－d11;
l、 h——晶体切片长度和厚度。 产生的电荷与几何尺寸有关。 压电效应为横向压电效应。
压电效应的物理解释
石英晶体sio2，3个硅离子Si4+离子, 6个氧离子 O2-。两两成对。微观分子结构为一个正六边形。 垂直于X轴端面有无数个此分子结构。
力与电荷的关系
y 方向切下一块 如图 所示晶片, 当在电轴方向施加 作用力时, 在与电轴 x 垂直的平面上 将产生电荷, 其大小为
qx = d11 fxห้องสมุดไป่ตู้
式中: d11 ——x方向受力的压电系数;
fx——作用力
产生的电荷与几何尺寸无关。纵向 压电效应。
压电材料最终版资料课件
5ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
二、压电材料的分类
无机压电材料
有机压电材料
压电材料
换能器
6
1.无机压电材料
• 压电晶体：当你对晶体挤压或拉伸时，它的两端就会
产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电
效应的晶体就叫压电晶体。 压电晶体一般指压电 单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生 长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心， 因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、 镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌 酸锂、钽酸锂等。水晶（α-石英）是一种有名的压 电晶体。
一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，
注意少量的添加剂要放在大料的中间。
二、混合磨细:目的是将各种原料混匀磨细,为预烧进行完全的固相反应准
备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅 拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
三、预 烧：目的是在高温下,各原料进行固相反应,合成压电陶瓷.此道工序
31
压电陶瓷-高聚物复合材料
• 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压 电复合材料，兼备无机和有机压电材料的 性能，并能产生两相都没有的特性。因此， 可以根据需要，综合二相材料的优点，制 作良好性能的换能器和传感器。它的接收 灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水 声换能器。
32
28
为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺， 使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电 陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已 可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压 电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高 频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um 厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳 米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用 开发仍是近期的热点。
二、压电材料的分类
无机压电材料
有机压电材料
压电材料
换能器
6
1.无机压电材料
• 压电晶体：当你对晶体挤压或拉伸时，它的两端就会
产生不同的电荷。这种效应被称为压电效应。能产生压电
效应的晶体就叫压电晶体。 压电晶体一般指压电 单晶体，是指按晶体空间点阵长程有序生 长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心， 因此具有压电性。如水晶（石英晶体）、 镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌 酸锂、钽酸锂等。水晶（α-石英）是一种有名的压 电晶体。
一、配料：进行料前处理，除杂去潮，然后按配方比例称量各种原材料，
注意少量的添加剂要放在大料的中间。
二、混合磨细:目的是将各种原料混匀磨细,为预烧进行完全的固相反应准
备条件.一般采取干磨或湿磨的方法。小批量可采取干磨，大批量可采取搅 拌球磨或气流粉碎的方法，效率较高。
三、预 烧：目的是在高温下,各原料进行固相反应,合成压电陶瓷.此道工序
31
压电陶瓷-高聚物复合材料
• 无机压电陶瓷和有机高分子树脂构成的压 电复合材料，兼备无机和有机压电材料的 性能，并能产生两相都没有的特性。因此， 可以根据需要，综合二相材料的优点，制 作良好性能的换能器和传感器。它的接收 灵敏度很高，比普通压电陶瓷更适合于水 声换能器。
32
28
为了克服这种影响，人们更改了传统的掺杂工艺， 使细晶粒压电陶瓷压电效应增加到与粗晶粒压电 陶瓷相当的水平。现在制作细晶粒材料的成本已 可与普通陶瓷竞争了。近年来，人们用细晶粒压 电陶瓷进行了切割研磨研究，并制作出了一些高 频换能器、微制动器及薄型蜂鸣器（瓷片20-30um 厚），证明了细晶粒压电陶瓷的优越性。随着纳 米技术的发展，细晶粒压电陶瓷材料研究和应用 开发仍是近期的热点。
压电效应为基础在外力作用下在电介质表面产生电荷28页PPT
压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比 石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较 低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都 采用压电陶瓷 。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅 系列压电陶瓷（PZT）及非铅系压电陶瓷 （如 BaTiO3等）。
11.05.2020
7
压电陶瓷外形
11.05.2020
8
无铅压电陶瓷及其换能器外形
1、石英晶体
11.05.2020
3
天然形成的石英晶体外形（续）
11.05.2020
4
石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
11.05.2020
双面镀银并封装
5
石英晶体振荡器（晶振）
晶振
11.05.2020
石英晶体在振荡电路 中工作时，压电效应与逆 压电效应交替作用，从而 产生稳定的振荡输出频率。
6
2、压电陶瓷
11.05.2020
10
高分子压电薄膜及拉制
11.05.2020
11
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
5.2020
12
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
11.05.2020
13
压电式脚踏报警器
11.05.2020
14
高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）
压电元件有串联和并联两种结构形式，串联可提 高输出电压，并联可提高输出电荷。
sint
+ -
R1
Ri Ci
R2
Ca
ui
ua
RC
11.05.2020
a)
b)
19
而在放大器输入端形成的电压为
R1
jC
R 1
ui
jC
R1
11.05.2020
7
压电陶瓷外形
11.05.2020
8
无铅压电陶瓷及其换能器外形
1、石英晶体
11.05.2020
3
天然形成的石英晶体外形（续）
11.05.2020
4
石英晶体切片及封装 石英晶体薄片
11.05.2020
双面镀银并封装
5
石英晶体振荡器（晶振）
晶振
11.05.2020
石英晶体在振荡电路 中工作时，压电效应与逆 压电效应交替作用，从而 产生稳定的振荡输出频率。
6
2、压电陶瓷
11.05.2020
10
高分子压电薄膜及拉制
11.05.2020
11
高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆
5.2020
12
可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板
11.05.2020
13
压电式脚踏报警器
11.05.2020
14
高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应）
压电元件有串联和并联两种结构形式，串联可提 高输出电压，并联可提高输出电荷。
sint
+ -
R1
Ri Ci
R2
Ca
ui
ua
RC
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a)
b)
19
而在放大器输入端形成的电压为
R1
jC
R 1
ui
jC
R1
石英晶振仪原理PPT优秀版
石英晶体膜厚控制仪有非常高的灵敏度，可以做到埃数量级，显然晶体的基频越高，控制的灵敏度也越高，但基频过高时，晶体片会 做得太薄，太薄的芯片易碎。
3）使用银铝合金晶振片镀介质光学膜 然而，银容易硫化，硫化后的银接触电阻高，降低晶振片上膜层的牢固性。
然式而中▪， S称金为所电变极换以不灵易敏一弯度曲.般，会选将应用力从的膜层晶转移体到石片英基的片上频。 率范围为5~10MHz。在淀积过程 2输银）出铝利为 合用电金金中振讯通电号过极，荡塑,很不变容溶基器或易于流用硫频不变来酸分做等最能散制强应程酸大稳力的的，自特下定在动点张控，降工力制客或户允作应自力行﹐许使处基理2产体，~变将生形3晶前%振跳，片，银上频铝的大电膜现极层约已除象经去几释，。放重百了新如这利千些用果应。赫力此。。时基继频续下淀降积太膜多， 层，就会出现停振。为了保证振荡稳定和有高的灵敏度，晶 有实验表明镀Si02用银铝合金晶振片比镀金寿命长400%。
石英晶振仪原理
▪ 石英晶体是离子型的晶体，由于结晶点阵的有规则分布，当发生机械变 形时，例如拉伸或压缩时能产生电极化现象，称为压电现象。例石英晶 体在9.8×104Pa的压强下，承受压力的两个表面上出现正负电荷，产生 约0.5V的电位差。压电现象有逆现象，即石英晶体在电场中晶体的大小 会发生变化，伸长或缩短，这种现象称为电致伸缩。
石英晶体的固有频率f不仅取决于几何尺寸和切割类型，而且还取决于厚度d，即 f=N/d，N是取决与石英晶体的几何尺寸和切割类型
的石频英率 晶常体体数膜。厚上监控膜仪就层是通镀过测到量频一率或定与频厚率有度关的后参量，的变就化而应监控该淀积更薄膜换的厚新度。的晶振片。
如果此时继续淀积膜层，就会出现停振。
在光学监控膜厚时，还得用石英晶体法来监控沉积速率，我们知道沉积速
3）使用银铝合金晶振片镀介质光学膜 然而，银容易硫化，硫化后的银接触电阻高，降低晶振片上膜层的牢固性。
然式而中▪， S称金为所电变极换以不灵易敏一弯度曲.般，会选将应用力从的膜层晶转移体到石片英基的片上频。 率范围为5~10MHz。在淀积过程 2输银）出铝利为 合用电金金中振讯通电号过极，荡塑,很不变容溶基器或易于流用硫频不变来酸分做等最能散制强应程酸大稳力的的，自特下定在动点张控，降工力制客或户允作应自力行﹐许使处基理2产体，~变将生形3晶前%振跳，片，银上频铝的大电膜现极层约已除象经去几释，。放重百了新如这利千些用果应。赫力此。。时基继频续下淀降积太膜多， 层，就会出现停振。为了保证振荡稳定和有高的灵敏度，晶 有实验表明镀Si02用银铝合金晶振片比镀金寿命长400%。
石英晶振仪原理
▪ 石英晶体是离子型的晶体，由于结晶点阵的有规则分布，当发生机械变 形时，例如拉伸或压缩时能产生电极化现象，称为压电现象。例石英晶 体在9.8×104Pa的压强下，承受压力的两个表面上出现正负电荷，产生 约0.5V的电位差。压电现象有逆现象，即石英晶体在电场中晶体的大小 会发生变化，伸长或缩短，这种现象称为电致伸缩。
石英晶体的固有频率f不仅取决于几何尺寸和切割类型，而且还取决于厚度d，即 f=N/d，N是取决与石英晶体的几何尺寸和切割类型
的石频英率 晶常体体数膜。厚上监控膜仪就层是通镀过测到量频一率或定与频厚率有度关的后参量，的变就化而应监控该淀积更薄膜换的厚新度。的晶振片。
如果此时继续淀积膜层，就会出现停振。
在光学监控膜厚时，还得用石英晶体法来监控沉积速率，我们知道沉积速
石英晶体产品基础知识(培训)_图文
4、电源和负载 晶体振荡器的频率稳定性亦受到振荡器电源电压变动以及振荡器负载 变动的影响。一般考虑为+/-5%或+/-10%。
5、输出波形 晶体振荡器有CMOS、TTL、CMOS/TTL兼容、PECL和正弦波输出。
6 、起动时间 晶体振器从起动到稳定输出的时间，用ms表示。
7 、上升时间 /下降时间 波形前沿/后沿在两规定电平之间变化的时间间隔，两个电平
石英晶体振荡器电路结构
六、产品主要参数
石英晶体谐振器的主要参数
• 1、标称频率 该频率特指晶体技术条件中规定的频率，表示为MHz或KHz。
• 2、调整频差 标称频率在一定温度（一般是25℃）下的允许偏差，表示为百分数（%）或百 万分之几（ppm）。
• 3、负载电容（CL） 与晶体一起决定负载谐振频率的有效外界电容。任何外部电容一旦与石英晶 体串联，即会成为其谐振频率的一个决定因素。负载电容变化时，频率也会 随之改变。因此，在电路中使用时，经常会以标准负载电容来微调频率至期 望值。
SC: +21056’/ +34005’
Z
BT
DT
+50X
R Z
r m
X GT
X
+500
+20X
NT
+50
+50
r
Y
m
+20
R
X
m
r
石英晶体的振动模式
各种切型的温频特性曲线图
常用切型介绍
1. AT切 厚度振动模式，其频率系数为：1650，频率公式：f=1670/t （t为厚 度） 具有高品质因数，温频特性（三次曲线），机械特性，基频一般小 于40M。
• 激励电平的大小直接影响石英谐振器的性能，所以电路设计者一定要严格控 制石英谐振器在规定的激励电平下工作，以便充分发挥石英谐振器的特点， 一般来讲，激励电平偏小对于长稳有利，激励电平稍大对于短温有利。
5、输出波形 晶体振荡器有CMOS、TTL、CMOS/TTL兼容、PECL和正弦波输出。
6 、起动时间 晶体振器从起动到稳定输出的时间，用ms表示。
7 、上升时间 /下降时间 波形前沿/后沿在两规定电平之间变化的时间间隔，两个电平
石英晶体振荡器电路结构
六、产品主要参数
石英晶体谐振器的主要参数
• 1、标称频率 该频率特指晶体技术条件中规定的频率，表示为MHz或KHz。
• 2、调整频差 标称频率在一定温度（一般是25℃）下的允许偏差，表示为百分数（%）或百 万分之几（ppm）。
• 3、负载电容（CL） 与晶体一起决定负载谐振频率的有效外界电容。任何外部电容一旦与石英晶 体串联，即会成为其谐振频率的一个决定因素。负载电容变化时，频率也会 随之改变。因此，在电路中使用时，经常会以标准负载电容来微调频率至期 望值。
SC: +21056’/ +34005’
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石英晶体的振动模式
各种切型的温频特性曲线图
常用切型介绍
1. AT切 厚度振动模式，其频率系数为：1650，频率公式：f=1670/t （t为厚 度） 具有高品质因数，温频特性（三次曲线），机械特性，基频一般小 于40M。
• 激励电平的大小直接影响石英谐振器的性能，所以电路设计者一定要严格控 制石英谐振器在规定的激励电平下工作，以便充分发挥石英谐振器的特点， 一般来讲，激励电平偏小对于长稳有利，激励电平稍大对于短温有利。
高二物理竞赛课件石英晶体的压电效应压电方程组(1)
2
T1
D1 d11 D2 0 D3 E 0
d11 0 0
0 0 0
d14 0 T5
T6
式中附标E表示电场强度E=0。
3
从以上两式式可以看出：
（1）对于石英晶体不是在任何方向上都存 在压电效应，只有在某些方向上，在某些力 的作用下，产生才能出现正压电效应。例如， 在石英晶体x方向，只有T1、T2、T4作用时， 才能在x方向压电效应，而T3、T5、T6不能 在x方向压电效应。在石英晶体的z方向，不 论在什么方向作用多大的力，都不能在z方 向压电效应。
9
（1）选用石英晶体的x切割晶片，以x面为 电极面。当晶片只受到x方向的电场分量E1 作用（应力张量T=0）时，分别在x方向和 y方向产生应变S1和S2以及切应变S4，这些 应变都与E1成正比，即S1 T d11E1
S2 T d12E1 d11E1
S4 T d14E1
其中下标T表示应力张量T=0。
d 31 d 32 d 33 d 34 d 35 d 36
6
可见压电常数d的矩阵形式是一个三行六列矩阵，即d是 一个三级张量。一般情况下正压电效应的表示式为：
T1
D1 d11 D2 d 21 D3 E d31
d12 d 22 d 32
d13 d 23 d 33
d14 d 24 d 34
12
d15 d 25 d 35
d16 d 26 d 36
T2 T3 T4 T5
T6
7
或简写为：
D dT E
或：
6
D m E d mjTj , j1
m 1,2,3
8
逆压电效应
当晶体受到电场E的作用时，晶体产生畸 变，这个现象称为逆压电效应。逆压电效 应的产生是由于压电晶体受到电场的作用 时，在晶体内部产生应力，这个应力常称 为压电应力。通过压电应力的作用，产生 压电形变。 仍以石英晶体为例说明如下。
T1
D1 d11 D2 0 D3 E 0
d11 0 0
0 0 0
d14 0 T5
T6
式中附标E表示电场强度E=0。
3
从以上两式式可以看出：
（1）对于石英晶体不是在任何方向上都存 在压电效应，只有在某些方向上，在某些力 的作用下，产生才能出现正压电效应。例如， 在石英晶体x方向，只有T1、T2、T4作用时， 才能在x方向压电效应，而T3、T5、T6不能 在x方向压电效应。在石英晶体的z方向，不 论在什么方向作用多大的力，都不能在z方 向压电效应。
9
（1）选用石英晶体的x切割晶片，以x面为 电极面。当晶片只受到x方向的电场分量E1 作用（应力张量T=0）时，分别在x方向和 y方向产生应变S1和S2以及切应变S4，这些 应变都与E1成正比，即S1 T d11E1
S2 T d12E1 d11E1
S4 T d14E1
其中下标T表示应力张量T=0。
d 31 d 32 d 33 d 34 d 35 d 36
6
可见压电常数d的矩阵形式是一个三行六列矩阵，即d是 一个三级张量。一般情况下正压电效应的表示式为：
T1
D1 d11 D2 d 21 D3 E d31
d12 d 22 d 32
d13 d 23 d 33
d14 d 24 d 34
12
d15 d 25 d 35
d16 d 26 d 36
T2 T3 T4 T5
T6
7
或简写为：
D dT E
或：
6
D m E d mjTj , j1
m 1,2,3
8
逆压电效应
当晶体受到电场E的作用时，晶体产生畸 变，这个现象称为逆压电效应。逆压电效 应的产生是由于压电晶体受到电场的作用 时，在晶体内部产生应力，这个应力常称 为压电应力。通过压电应力的作用，产生 压电形变。 仍以石英晶体为例说明如下。
压电材料ppt课件
干扰。利用热释电现象特性可以制作热电传感器，如红外
探测。
图石英晶体的外形 (a)天然石英晶体；
(b)人工石英晶体； (c)右旋石英晶体理想外形
可编辑课件PPT
9
三 压电材料的应用
由于压电效应具有两方面的特征所以其应用也
分为两方面
应用
分类
正压电效应
将机械力转换为电 能，如点火装置， 拾音器等，是机电 换能器
可编辑课件PPT
11
三 压电材料的应用
（1）点火器工作过程
点火器工作过程分高压产生、放电点 火和点燃可燃气体三个阶段。 高压产生——以圆柱形压电陶瓷 元件为例，如图5-2所示。当机械力F 作用于圆柱体时，晶体发生畸变，导 致晶体中正负电荷中心偏移，从而在 圆柱体上下表面出现自由电荷大量积 聚，产生高压输出。 放电点火——把压电陶瓷元件放 在一个闭合回路中，并留一个适当间 隙，当电压升高到该间隙的放电电压 时，间隙中就产生放电火花。
6
二 压电效应
压电效应的物理机制：
（1）石英晶体：如图示，晶体内部正负离子的偶极矩在外
力的作用下由于晶体的形变而被破坏，导致使晶体的电中
性被破坏，从而使其在一些特定的方向上的晶体表面出现
剩余电电荷而产生的。
x
x Fx
x
Fy
Fy
y
P1
y
P1
y
P1
P2
P3
P2 P3
P2 P3
不受力
可编辑课件PPT
2
一 认识压电材料
压电材料是一种能够将机械能和电能互 相转换的功能材料，属于无机非金属材 料。这是一种具有压电效应的材料。
1880年 居里兄弟 首先发现电气石的压电效 应，从此开始了压电学的历史。
石英晶体的压电效应演示当力的方向改变时66页PPT
石英晶体的压电效应演示当力的方向 改变时
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
谢谢你的阅读
❖ 知识就是财富 ❖ 丰富你的人生
71、既我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
压电石英晶体
• 谐振器和振荡器：
– 谐振器的等效电路、振动模式；振荡器原理
压电石英晶体
第3 页
2019年10月28日星期一
参考书目： 秦自楷 等，《压电石英晶体》，国防工业出版社，
北京，1980 张沛霖，钟维烈 等，《压电材料与器件物理》，
山东科学技术出版社，济南 1997
压电石英晶体
第4 页
2019年10月28日星期一
T 2 L g
压电石英晶体
第5 页
2019年10月28日星期一
机械时代的单摆计时标准有以下问题： （1）计时不准确：时间分辨率（解析率低） 秒的量级； （2）计时不准确：受外加环境影响大--摆的长度变化，热
胀冷缩，一般是摆的下端加调节螺栓达到修正摆的长度 的功能（优势）；机械磨损，手表中的部件使用钻石； （3）机械振动，无法成为电路中的电学量的时间频率标准！
压电石英晶体
第14 页
2019年10月28日星期一
人工石英晶体：
实用的石英晶体绝大部分是 人工培育的。人工石英晶体 收籽晶（Seed）形状和生长 条件的影响有不同的外形。 常见的人工石英晶体有沿y轴 较长的y棒和z面较大的z板。
y-bar z-plate
压电石英晶体
第15 页
2019年10月28日星期一
压电石英晶体
第16 页
2019年10月28日星期一
石英晶体各晶面法线夹角
两个晶面
夹角
两个晶面
夹角
mm
600
Rr
4618’
mR
3813’
sR
2858’
mr
3813’
sr
2858’
ms
3755’
sx
2554’
– 谐振器的等效电路、振动模式；振荡器原理
压电石英晶体
第3 页
2019年10月28日星期一
参考书目： 秦自楷 等，《压电石英晶体》，国防工业出版社，
北京，1980 张沛霖，钟维烈 等，《压电材料与器件物理》，
山东科学技术出版社，济南 1997
压电石英晶体
第4 页
2019年10月28日星期一
T 2 L g
压电石英晶体
第5 页
2019年10月28日星期一
机械时代的单摆计时标准有以下问题： （1）计时不准确：时间分辨率（解析率低） 秒的量级； （2）计时不准确：受外加环境影响大--摆的长度变化，热
胀冷缩，一般是摆的下端加调节螺栓达到修正摆的长度 的功能（优势）；机械磨损，手表中的部件使用钻石； （3）机械振动，无法成为电路中的电学量的时间频率标准！
压电石英晶体
第14 页
2019年10月28日星期一
人工石英晶体：
实用的石英晶体绝大部分是 人工培育的。人工石英晶体 收籽晶（Seed）形状和生长 条件的影响有不同的外形。 常见的人工石英晶体有沿y轴 较长的y棒和z面较大的z板。
y-bar z-plate
压电石英晶体
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压电石英晶体
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石英晶体各晶面法线夹角
两个晶面
夹角
两个晶面
夹角
mm
600
Rr
4618’
mR
3813’
sR
2858’
mr
3813’
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2858’
ms
3755’
sx
2554’
高二物理竞赛课件石英晶体的压电效应压电方程组
8
在此对称要求下，压电常数矩阵变化为
11，2-2，33 11，22，33，4-4，55，6-6
0 0 0 14 15 0
0 0 0 14 15 0
0
0
0
15
14
0
mirror
0
0
0
15
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31 31 33 0 0 0
31 31 33 0 0 0
0 0 0 0 15 0
0
0
0
15
0
0
31 31 33 0 0 0
9
再考虑另一镜面m对称操作，在此操作 下xy，yx，zz，发现对压电常数 矩阵没有影响。
因此独立的压电常数共有3个，即： d15,d31,d33。
10
坐标变化法
压电方程
T1
D1 d11 D2 d 21 D3 E d31
d12 d 22 d 32
d15 d 25
d16 d 26
11 21
12 22
13 23
14 24
15 25
16
26
d31 d32 d33 d34 d35 d36 31 32 33 34 35 36
注意：下标的两个数字表示的意义不同！
5
先考虑4度旋转轴的对称操作，在此操作下， xy，y-x，zz，
单下标：12，2-1，33，
12
对应的双下标为：(xx,yy,zz,yz,xz,xy) 12，21，33，4-5，54，6-6
6பைடு நூலகம்
压电常数矩阵变化为
12，2-1，33 12，21，33，4-5，54，6-6
11 12 13 14 15 16
22 21 23 25 24 26
在此对称要求下，压电常数矩阵变化为
11，2-2，33 11，22，33，4-4，55，6-6
0 0 0 14 15 0
0 0 0 14 15 0
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mirror
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31 31 33 0 0 0
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0 0 0 0 15 0
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0
0
31 31 33 0 0 0
9
再考虑另一镜面m对称操作，在此操作 下xy，yx，zz，发现对压电常数 矩阵没有影响。
因此独立的压电常数共有3个，即： d15,d31,d33。
10
坐标变化法
压电方程
T1
D1 d11 D2 d 21 D3 E d31
d12 d 22 d 32
d15 d 25
d16 d 26
11 21
12 22
13 23
14 24
15 25
16
26
d31 d32 d33 d34 d35 d36 31 32 33 34 35 36
注意：下标的两个数字表示的意义不同！
5
先考虑4度旋转轴的对称操作，在此操作下， xy，y-x，zz，
单下标：12，2-1，33，
12
对应的双下标为：(xx,yy,zz,yz,xz,xy) 12，21，33，4-5，54，6-6
6பைடு நூலகம்
压电常数矩阵变化为
12，2-1，33 12，21，33，4-5，54，6-6
11 12 13 14 15 16
22 21 23 25 24 26
压电石英晶体ppt课件
天然
2001200 2002000 10004000 100300 30100
<1 100900 100900 50200
最大浓度
15000 8000 20000 390 1000
4 1000 1000 8000
石英晶体中杂质的位置
杂质
位置
HLeabharlann 以OH的形式存在于O位置上，但很容易沿c或者z轴扩
应最显著，故常称x轴为石英晶体的 电轴。
沿x轴或者y轴施加应力，在y轴不产 生压电效应，只产生形变。Y轴称为 机械轴。
石英晶体晶面指数： 晶体的晶面和晶向指数是按照晶 轴坐标系确定的。晶面指数又称 为米勒(miller)指数。定义为晶面 在晶轴截距倒数的互质比。通常 为三轴指数。对于石英晶体又有 三轴指数和四轴指数。 三轴是：a、b、c 四轴是：a、b、d、c
石英晶体的主要特性：
石英晶体的研究和应用已经有许多年了，积累大量的实验数 据。这些数据描写了石英晶体的主要特性： 热学参数：热膨胀系数及其温度系数，导热系数，比热 电学参数：介电常数，及其温度系数，电阻率 弹性常数：顺服常数、劲度常数，及其各级温度系数 压电常数：及其温度系数 密度和密度温度系数…… 许多文献手册可以查到
LCR振荡电路可以输出一定频率的电压信号：其输出频 率随温度变化，原因是L、C、R的参数值随温度有变化。 压电石英晶体谐振器：高频、不随温度变化、无磨损、 形成电信号
压电石英晶体谐振器和振荡器： 高频：几何尺寸小； 控制精确 不随温度变化：零温度系数切型；ppm 无磨损：高机械品质因子；mechanical quality factor 形成电信号：压电效应
在压电材料中，石英晶体的压电性时比较弱的！ 人们一直在寻找更强压电性的晶体替代石英晶体： GaPO4, AlPO4, La3Ga5SiO14(LGS)，RCaO4(BO3)3
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摆的原理是：振动一周期的时间至于摆的长度和摆的重量 有关；
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压电石英晶体
第5 页
2019年11月9日星期六
机械时代的单摆计时标准有以下问题： （1）计时不准确：时间分辨率（解析率低） 秒的量级； （2）计时不准确：受外加环境影响大--摆的长度变化，热
胀冷缩，一般是摆的下端加调节螺栓达到修正摆的长度 的功能（优势）；机械磨损，手表中的部件使用钻石； （3）机械振动，无法成为电路中的电学量的时间频率标准！
在压电材料中，石英晶体的压电性时比较弱的！ 人们一直在寻找更强压电性的晶体替代石英晶体： GaPO4, AlPO4, La3Ga5SiO14(LGS)，RCaO4(BO3)3
(R=La、Gd、Y……)低对称性晶体
压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
石英谐振器应用
计算机主板
计算机显示卡 U盘
压电石英晶体
第1 页
2019年11月9日星期六
压电石英晶体
王春雷 山东大学 物理学院 晶体材料国家重点实验室
压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
• 石英晶体：
– 石英晶体的结构、培育、主要特性、质量检验、缺 陷和电清洗
• 压电效应：
– 压电效应、压电方程、切型和定向、旋转坐标系、 频率温度系数
同一品种的晶体，不论其外形如何，两个相应晶面之间的 夹角保持不变。这个普遍规律被概括为:晶面角守恒定律。 由于外界条件的不同，晶体在生长过程中，这个晶面比那 个晶面可能生长地更快些，甚至有的晶面在外形上并不出 现，但两个对应晶面之间的夹角总是不变。
例如，石英晶体中的两个m面之间的夹角总是12000’，r面 和s面之间的夹角总是11308’。 晶面守恒定律的发现对于 结晶学的发展起了很大的促进作用。例如，从晶面角之间 的关系导致晶体对称性概念的产生。
晶体基本知识，介电、弹性、压电、铁电基本知识； 压电效应和压电方程，振动模式和等效电路…… 《电介质材料和器件》 苏文斌 晶体材料和陶瓷材料的成分、结构和主要性质，生长制备 方法等…… 《电介质测量》赵明磊 介电测量、压电测量、铁电测量原理和方法……
压电石英晶体
第11 页
2019年11月9日星期六
• 振动模式：
– 振动模式、压电振子的等效电路、机电类比和机电 网络
• 谐振器和振荡器：
– 谐振器的等效电路、振动模式；振荡器原理
压电石英晶体
第3 页
2019年11月9日星期六
参考书目： 秦自楷 等，《压电石英晶体》，国防工业出版社，
北京，1980 张沛霖，钟维烈 等，《压电材料与器件物理》，
山东科学技术出版社，济南 1997
有需要进行时间、频率控制的电路，就有压电石英晶体谐振 器：电子表、雷达、计算机、电视、冰箱、GPS、MP3、 U-disc …
为什么需要压电谐振器：是作为时间频率控制的标准；控 制精确，受环境温度影响小，机电一体；
压电石英晶体
第7 页
2019年11月9日星期六
为什么使用石英晶体
高频：几何尺寸小； 不随温度变化：零温度系数切型； 无磨损：高机械品质因子；mechanical quality factor 形成电信号：压电效应 价格低廉、性能稳定等一系列优良品质！
压电石英晶体
第4 页
2019年11月9日星期六
为什么需要压电谐振器 压电石英谐振器=时间/频率标准
早期计时工具：沙漏
机械时代：单摆或者复摆，钟表、手表；分辨率（解析率） resolution 秒的量级；提高resolution，让计时更准确： 更小的摆轮，运动会计时用的秒表：比如百米时间 9’18
石英晶体
石英晶体的结构、培育、主要特性、 质量检验、缺陷和电清洗
压 页
2019年11月9日星期六
压电石英晶体
第13 页
2019年11月9日星期六
Quartz crystal
理想石英外形： 分为左旋石英和 右旋石英晶体 成分：SiO2 二氧化硅 二氧化矽
Silicon dioxide
压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
压电效应的其他应用
倒车雷达
压电变压器： LCD Devices, Digital Cameras, Lighting Equipment, etc.
压电石英晶体
第10 页
2019年11月9日星期六
山东大学物理学院相关课程设置： 《压电铁电物理》王春雷
LCR振荡电路可以输出一定频率的电压信号：其输出频 率随温度变化，原因是L、C、R的参数值随温度有变化。
压电石英晶体谐振器：高频、不随温度变化、无磨损、 形成电信号
压电石英晶体
第6 页
2019年11月9日星期六
压电石英晶体谐振器和振荡器： 高频：几何尺寸小； 控制精确 不随温度变化：零温度系数切型；ppm 无磨损：高机械品质因子；mechanical quality factor 形成电信号：压电效应
压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
石英晶体各晶面法线夹角
两个晶面
夹角
两个晶面
夹角
mm
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4618’
mR
3813’
sR
2858’
mr
3813’
sr
2858’
ms
3755’
sx
2554’
mx
121’
压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
石英晶体的晶轴和坐标轴： 石英晶体属于32点群，其中：c轴 是三重轴，a、b轴是二度轴。 人工石英晶体的外形不同于理想 石英，但是晶轴和坐标轴的选择 是完全一样的。 石英晶体分为左旋右旋之分；有 的文献左旋晶体用左手坐标系， 右旋晶体用右手坐标系；这样压 电常数的符号相同；
压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
人工石英晶体：
实用的石英晶体绝大部分是 人工培育的。人工石英晶体 收籽晶（Seed）形状和生长 条件的影响有不同的外形。 常见的人工石英晶体有沿y轴 较长的y棒和z面较大的z板。
y-bar z-plate
压电石英晶体
第15 页
2019年11月9日星期六
通常情况，左旋、右旋晶体都使用右手坐标系，这样压电 常数的符号相反；绝大多数人工石英晶体是右旋晶体。
压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
石英晶体的光轴 电轴 机械轴
z轴与天然石英晶体的上、下顶角连 线重合(即与晶体的C轴重合)。因为 光线沿z轴通过石英晶体时不产生双 折射，故称z轴为石英晶体的光轴。 x轴与石英晶体横截面上的对角线重 合(即与晶体的a轴重合)，因为沿x方 向对晶体施加压力时，产生的压电效
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压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
机械时代的单摆计时标准有以下问题： （1）计时不准确：时间分辨率（解析率低） 秒的量级； （2）计时不准确：受外加环境影响大--摆的长度变化，热
胀冷缩，一般是摆的下端加调节螺栓达到修正摆的长度 的功能（优势）；机械磨损，手表中的部件使用钻石； （3）机械振动，无法成为电路中的电学量的时间频率标准！
在压电材料中，石英晶体的压电性时比较弱的！ 人们一直在寻找更强压电性的晶体替代石英晶体： GaPO4, AlPO4, La3Ga5SiO14(LGS)，RCaO4(BO3)3
(R=La、Gd、Y……)低对称性晶体
压电石英晶体
第8 页
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石英谐振器应用
计算机主板
计算机显示卡 U盘
压电石英晶体
第1 页
2019年11月9日星期六
压电石英晶体
王春雷 山东大学 物理学院 晶体材料国家重点实验室
压电石英晶体
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• 石英晶体：
– 石英晶体的结构、培育、主要特性、质量检验、缺 陷和电清洗
• 压电效应：
– 压电效应、压电方程、切型和定向、旋转坐标系、 频率温度系数
同一品种的晶体，不论其外形如何，两个相应晶面之间的 夹角保持不变。这个普遍规律被概括为:晶面角守恒定律。 由于外界条件的不同，晶体在生长过程中，这个晶面比那 个晶面可能生长地更快些，甚至有的晶面在外形上并不出 现，但两个对应晶面之间的夹角总是不变。
例如，石英晶体中的两个m面之间的夹角总是12000’，r面 和s面之间的夹角总是11308’。 晶面守恒定律的发现对于 结晶学的发展起了很大的促进作用。例如，从晶面角之间 的关系导致晶体对称性概念的产生。
晶体基本知识，介电、弹性、压电、铁电基本知识； 压电效应和压电方程，振动模式和等效电路…… 《电介质材料和器件》 苏文斌 晶体材料和陶瓷材料的成分、结构和主要性质，生长制备 方法等…… 《电介质测量》赵明磊 介电测量、压电测量、铁电测量原理和方法……
压电石英晶体
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• 振动模式：
– 振动模式、压电振子的等效电路、机电类比和机电 网络
• 谐振器和振荡器：
– 谐振器的等效电路、振动模式；振荡器原理
压电石英晶体
第3 页
2019年11月9日星期六
参考书目： 秦自楷 等，《压电石英晶体》，国防工业出版社，
北京，1980 张沛霖，钟维烈 等，《压电材料与器件物理》，
山东科学技术出版社，济南 1997
有需要进行时间、频率控制的电路，就有压电石英晶体谐振 器：电子表、雷达、计算机、电视、冰箱、GPS、MP3、 U-disc …
为什么需要压电谐振器：是作为时间频率控制的标准；控 制精确，受环境温度影响小，机电一体；
压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
为什么使用石英晶体
高频：几何尺寸小； 不随温度变化：零温度系数切型； 无磨损：高机械品质因子；mechanical quality factor 形成电信号：压电效应 价格低廉、性能稳定等一系列优良品质！
压电石英晶体
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为什么需要压电谐振器 压电石英谐振器=时间/频率标准
早期计时工具：沙漏
机械时代：单摆或者复摆，钟表、手表；分辨率（解析率） resolution 秒的量级；提高resolution，让计时更准确： 更小的摆轮，运动会计时用的秒表：比如百米时间 9’18
石英晶体
石英晶体的结构、培育、主要特性、 质量检验、缺陷和电清洗
压 页
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压电石英晶体
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Quartz crystal
理想石英外形： 分为左旋石英和 右旋石英晶体 成分：SiO2 二氧化硅 二氧化矽
Silicon dioxide
压电石英晶体
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压电效应的其他应用
倒车雷达
压电变压器： LCD Devices, Digital Cameras, Lighting Equipment, etc.
压电石英晶体
第10 页
2019年11月9日星期六
山东大学物理学院相关课程设置： 《压电铁电物理》王春雷
LCR振荡电路可以输出一定频率的电压信号：其输出频 率随温度变化，原因是L、C、R的参数值随温度有变化。
压电石英晶体谐振器：高频、不随温度变化、无磨损、 形成电信号
压电石英晶体
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压电石英晶体谐振器和振荡器： 高频：几何尺寸小； 控制精确 不随温度变化：零温度系数切型；ppm 无磨损：高机械品质因子；mechanical quality factor 形成电信号：压电效应
压电石英晶体
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石英晶体各晶面法线夹角
两个晶面
夹角
两个晶面
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3813’
sR
2858’
mr
3813’
sr
2858’
ms
3755’
sx
2554’
mx
121’
压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
石英晶体的晶轴和坐标轴： 石英晶体属于32点群，其中：c轴 是三重轴，a、b轴是二度轴。 人工石英晶体的外形不同于理想 石英，但是晶轴和坐标轴的选择 是完全一样的。 石英晶体分为左旋右旋之分；有 的文献左旋晶体用左手坐标系， 右旋晶体用右手坐标系；这样压 电常数的符号相同；
压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
人工石英晶体：
实用的石英晶体绝大部分是 人工培育的。人工石英晶体 收籽晶（Seed）形状和生长 条件的影响有不同的外形。 常见的人工石英晶体有沿y轴 较长的y棒和z面较大的z板。
y-bar z-plate
压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
通常情况，左旋、右旋晶体都使用右手坐标系，这样压电 常数的符号相反；绝大多数人工石英晶体是右旋晶体。
压电石英晶体
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2019年11月9日星期六
石英晶体的光轴 电轴 机械轴
z轴与天然石英晶体的上、下顶角连 线重合(即与晶体的C轴重合)。因为 光线沿z轴通过石英晶体时不产生双 折射，故称z轴为石英晶体的光轴。 x轴与石英晶体横截面上的对角线重 合(即与晶体的a轴重合)，因为沿x方 向对晶体施加压力时，产生的压电效