压电器件

C0是晶片的静 态电容，相当于平 板电容，即由晶片 作介质，镀银电极 和支架引线作极板 构成。几～十几pF
Lq、Cq、rq为晶片振动时的等效动态电感、电容和摩擦损 耗。 Lq很大，几十～几百 mH；Cq很小，百分之几 pF； rq 为 几～几百欧。
Z
Q1 Q2 1 2
Q1 Q2


fS 1
Cq C0
通常 C C 0
所以 f s 与 f p 很接近
2. 石英谐振器的基本特性与等效电路
X fS 容性
感性
fP 容性
f
石英谐振器只在 fs 和 fp 之间的很窄频率范围内呈感 性，且感抗曲线很陡，故当工作于该区域时，具有很强的稳频 作用。一般不用电容区。
2. 石英谐振器的基本特性与等效电路
极化面
F Q
机械能 ｛ 逆压电效应
压电介质 正压电效应
电能 ｝
压电效应 2. 作用 压电材料可实现机械能—电能量的相互转换。
F
3、有无压电效应的判断 晶体不受外力作用时，晶体的正负电荷中心相重合，单 位体积中的电矩（极化强度）等于零，晶体对外不呈现极性 ，而在外力作用下晶体变形时，正负电荷的中心发生分离， 此时单位体积中的电矩不再为零，晶体表现出极性；另外一 些晶体由于具有中心对称的结构，无论外力如何作用，晶体 正负电荷的中心总是重合在一起，因此这些晶体不会出现压 电效应。
一定几何尺寸的压电陶瓷片本身都有一个固定的振动频率 ，当外加高频信号的频率等于陶瓷片的固有频率时，机械振动 最强，输出的电信号也最大，这种现象叫做谐振。与LC谐振回 路很相似，因此压电振子可以等效成一个LC谐振回路。
压电器件 常用压电器件：


石英晶体元件
压电陶瓷元件 声表面波器件
石英晶体元件
石英晶体元件简称为晶振或晶振元件，它是利 用石英单晶材料的压电效应而制成的一种器件。
石英晶体薄片受到外加交变电 场的作用时会产生机械振动， 当交变电场的频率与石英晶体 的固有频率相同时，振动便变 得很强烈，这就是晶体谐振特 性的反应。
1 1 L 为品质因数 Q R 0 RC R C
石英谐振器Q值很高，而且其性能很稳定，因此有很高的回 路标准性。
0 L
2. 石英谐振器的基本特性与等效电路
串联谐振频率
X fS 容性
fs
1 2 LC
感性
fP 容性
f
晶体等效阻抗 为纯阻性
并联谐振频率
fP 2π Lq
1 C 0C q C 0 Cq
实际使用时外接一小电容Cs
则新的谐振频率为
C C f s 1 fs 1 C 0 Cs C 0 Cs 2 LC
由于 C C C 0 s
1
C f s f s 1 2 ( C C ) 0 s
由此看出
Cs 0 时， fs fp ； Cs 时， f s f s
9.1压电效应
9.1.1 压电效应的概念
1、定义： 1）正压电效应：晶体受到机械力的作用时，表面产生束缚 电荷，其电荷密度大小与施加外力大小成线性关系，这种 由机械效应转换成电效应的过程 2）逆压电效应:晶体在受到外电场激励下产生形变，且二 者之间呈线性关系，这种由电效应转换成机械效应的过程 称为逆压电效应。
调整 C 可使 f 在 f 和 f 之间变化 s s s p
石英晶体元件的主要参数
标称频率f0 晶体元件外壳所指定的频率。 负载电容（CL） 与晶体元件一起决定负载谐振频率的有效外界电容 激励电平 晶振正常工作时的有效电平 温度频差 在整个温度范围内工作频率相对于基准温度时工作频率 的允许偏离。 工作温度范围 晶振元件保持良好的频率特性的环境温度范围。
9.2.2 压电陶瓷片
压电陶瓷片的两面被银作为电极 当我们在电极上加以交变电压时， 由于压电效应，陶瓷片即随交变 信号的变化而产生机械振动，这 种机械振动能够转换成电信号的 输出。 压电常数大，成本低。 但居里点温度低，稳 定性不如石英晶体， 种类： 陶瓷滤波器（LT） 陶瓷谐振器 陶瓷陷波器（XT）
特点：压电陶瓷是现有压电材料中机电耦合系数最大的。它制 造工艺简单，价格低廉，容易制成任意形状，尺寸不受限制， 而且可以通过成分和工艺的适当调整和选择来改变其各项性能 ，缺点是重现性和一致性较差，均匀性和机械强度不够理想， 限制了它在更高频率范围的应用。 三、压电薄膜 它是用溅射或蒸镀等方法制备的具有高度取向性的薄膜 压 电材料，如硫化镉、氧化锌等。还有一些以有机高分子化合 物制成的薄膜压电材料，其特点是具有良好的成型性和柔顺性 ，加工也比较简单，可制成大面积薄膜，其中压电性最强的是 聚偏二氟乙烯。
4、绝缘电阻
压电材料的绝缘电阻可减少电荷泄露，改善传感器 低频特性。 5、机械耦合系数 在压电效应中，其值等于转换输出能量与输入能量之 比的平方根，它是衡量压电材料电能量转换效率的重要参数。
K2 通过逆压电效应转换所 得的机械能 转换时输入的总电能
K2
通过正压电效应转换所 得的电能 转换时输入的总机械能
6、居里点 压电材料开始丧失压电特性的温度。
9.1.2 常见的压电材料及其特点
常见的压电材料按其结构特点分为三类：压电单晶、压电陶 瓷和压电薄膜。 一、压电单晶 常用的压电单晶有石英、磷酸二氢铵、锗酸铋等。 特点：重现性好、稳定性高，但培养单晶比较困难，成本较高。
石英
二、压电陶瓷 压电陶瓷片时利用某些陶瓷的压电特性效应制成的具有选择性的 器件。 钛酸钡；锆钛酸铅系列（PZ系列）
晶振元件结构 •石英晶片 •晶片支架 •封装外壳
频率稳定问题
f 来衡量 f0 f ——频率偏移量。
频率稳定度一般由
f 0 ——振荡频率。
Q值越高，选频特性越好，频率越稳定。 LC振荡电路 Q ——数百 Q ——10000 500000
石英晶体振荡电路
2. 石英谐振器的基本特性与等效电路
具有压电效应的晶体
不具有压电效应的晶体
主要参数 1、压电常数 它是衡量材料压电效应强弱的参数，直接关系到压电输出 的灵敏度。 2、弹性常数 压电材料的弹性常数和刚度决定着压电器件的固有频率和 动态特性。 3、介ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ常数 对于一定形状、尺寸的压电器件，其固有电容与介电常数 有关，而固有电容又影响着压电传感器的频率下限。