壓電石英

壓電石英（piezoquartz）又稱“壓電水晶”。指具有壓電效應的水晶單晶。作為壓電石英工業原料的晶體中，不允許有道芬雙晶、巴西雙晶、節瘤、裂隙、綿、包裹體（固體、氣體、液體）等影響壓電效應的缺陷存在。用這種單晶片製成高精度、高比值的壓電石英元件（如諧振器、濾波器等），具有最高的頻率穩定性，是現代國防、電子工業中的重要部件。具有工業價值的壓電石英單晶，為無色透明、不含雜質、裂隙等缺陷，並滿足一定幾何尺寸要求的水晶單晶。 ^[1] 

石英晶體俗稱水晶，其化學成分為SiO₂，是單晶體中最具有代表性，同時也是應用最廣的一種壓電晶體，它沒有熱釋電效應，不具有鐵電性，熔點為1 750 ℃，密度為2.65×10³ kg/m³，莫氏硬度為7。它的突出優點是性能穩定，介電係數和壓電係數的温度穩定性特別好，其壓電係數在常温範圍內幾乎不隨温度變化，在20～200 ℃範圍內，温度每升高1 ℃，壓電係數d₁₁僅減少0.016%。在常壓下不同温度時，石英晶體結構是不同的，在温度低於573 ℃時，是α石英晶體；温度在573～870 ℃時，是β石英晶體；温度在870～1 470 ℃時是鱗石英；温度達到1 470℃就轉變成方石英。用於製造壓電元器件的主要是α石英晶體。 ^[2] 

自然界中有二十多種晶體具有壓電效應，其中最具有代表性，應用最廣的是石英晶體。石英晶體是二氧化硅的單晶，熔點1750℃，居里點（壓電材料開始喪失壓電特性時的温度）為573℃。石英晶體的主要性能特點是：壓電係數和介電係數的温度性能好，常温下幾乎不變；機械強度和品質因數高，剛度大，動態特性好；無熱釋電性，絕緣性好，重複性好。

天然結構的石英晶體呈正六稜柱狀，兩端為對稱的稜錐，如圖1中（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方向異性的。

我們用三條互相垂直的軸來表示石英晶體的各個方向，縱向軸稱為光軸（z軸）；經過稜線並垂直於光軸的稱為電軸（a軸）；同時垂直於光軸、電軸的稱為機械軸（y軸）。通常把沿電軸方向的力作用下產生電荷的壓電效應稱為縱向壓電效應；把沿機械軸方向的力產生電荷的壓電效應稱為橫向壓電效應。在光軸方向受力時不產生壓電效應。從晶體上切下的一片平行六面體稱為壓電晶體切片，如圖1（b）所示。切片長邊平行於y軸的稱為x切族，平行於x軸的稱為y切族。

在實際應用中，由於石英晶體是各向異性的，沿着不同的方位進行切割，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，表現出力電轉換類型、轉換效率、壓電係數、彈性係數、介電常數、温度特性和諧振頻率的不同。這一點與傳感器的設計、製造和使用都有密切關係。拉伸力時，電荷的極性正好相反。 ^[3] 

石英晶體能夠產生壓電效應，與其內部的Si⁴⁺和O^2-正六邊形的排列結構有關。石英晶體是各向異性體，即在各個方向上晶體性質是不同的。通常把沿電軸X方向作用力下產生電荷的效應稱為“縱向壓電效應”，而把沿機械軸Y方向作用力下產生電荷的效應稱為“橫向壓電效應”。在光軸Z方向受力時，不產生壓電效應。

從石英晶體上切下一片晶片，其晶面分別平行於X、Y、Z軸，當沿電軸X方向有作用力F_X時，則在與X軸垂直的切面上，產生電荷q_X，其大小為

q_X =d₁₁·F_X

式中，d₁₁為X方向受力、垂直X軸切面上取電荷的壓電係數。

由上式可知，沿電軸X方向的力作用在晶片上時，在切面上產生的電荷數量與晶片幾何尺寸無關。

在同一切片上，當沿機械軸Y方向有作用力F_Y時，其電荷仍然顯示在與X軸垂直的切面上，但極性相反，產生電荷q_Y其大小為

q_Y =d₁₂l/tF_Y

式中，l為晶片長度，t為晶片厚度，d₁₂=-d₁₁為Y方向受力的壓電係數。

由上式可知，在晶片上有沿機械軸Y方向的作用力時，產生的電荷數量與晶片幾何尺寸有關。負號説明沿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係如圖2所示。 ^[4] 

壓電水晶，要求石英單晶體的一般塊度要大於12×12×12 mm；當礦牀含礦品位高時，塊度可以放寬到8x8×8 mm。礦牀評價時的最低工業品位為：原生礦、露天開採的礦山為0.5g/m³，地下開採的礦山為3g/m³，砂礦，水採的礦山為0.3g/m³，地下開採的礦山為0.5g/m³。

壓電石英可作諧振器、濾波器、廣泛用於自動武器、超音速飛機、導彈、核武器、電子顯微鏡、計時儀、電子計算機、人造地球衞星等的導航、遙控、遙測、電子、電動設備中。 ^[2]