壓電晶體

有一類十分有趣的晶體，當你對它擠壓或拉伸時，它的兩端就會產生不同的電荷。這種效應被稱為壓電效應。能產生壓電效應的晶體就叫壓電晶體。水晶（α-石英）是一種有名的壓電晶體。常見的壓電晶體還有：閃鋅礦、方硼石、電氣石、紅鋅礦、GaAs、鈦酸鋇及其衍生結構晶體、KH2PO4、NaKC4H4O6·4H2O(羅息鹽)、食糖等。 ^[1] 

壓電晶體是用量僅次於單晶硅的電子材料，用於製造選擇和控制頻率的電子元器件，廣泛應用於電子信息產業各領域，如彩電、空調、電腦、DVD、無電線通訊等，尤其在高性能電子設備及數字化設備中應用日益擴大。 　低腐蝕隧道密度壓電晶體是生產SMD頻率片、手機頻率片的必需材料。 壓電晶體產品品種主要有： Z棒、Y棒、厚度片、頻率片。

某些晶體，當沿着一定方向受到外力作用時，內部會產生極化現象，使帶電質點發生相對位移，從而在晶體表面上產生大小相等符號相反的電荷 ^[2]  ；當外力去掉後，又恢復到不帶電狀態。晶體受力所產生的電荷量與外力的大小成正比。這種現象叫壓電效應。反之，如對晶體施加電場，晶體將在一定方向上產生機械變形；當外加電場撤去後，該變形也隨之消失。這種現象稱為逆壓電效應，也稱作電致伸縮效應。

壓電性產生的原因與晶體結構有關。原本重合的正、負電荷重心受壓後產生分離而形成電偶極子，從而使晶體特定方向的兩端帶有符號不同的電荷量。 ^[2] 

壓電晶體的共同特點：晶體點羣（對稱型）沒有對稱中心。

晶體的32個點羣中，21個點羣不具有對稱中心，但點羣432的晶體不顯壓電性，故有20個點羣的晶體具有壓電性。 ^[1] 

根據晶振的功能和實現技術的不同，壓電晶體廣泛用作晶體振盪器。

石英晶體振盪器分非温度補償式晶體振盪器、温度補償晶體振盪器（TCXO）、電壓控制晶體振盪器（VCXO）、恆温控制式晶體振盪器（OCXO）和 數字化/μp補償式晶體振盪器（DCXO/MCXO）等幾種類型。

普通晶體振盪器(SPXO)。 這是一種簡單的晶體振盪器，通常稱為鍾振，其工作原理為圖3中去除“壓控”、“温度補償”和“AGC”部分,完全是由晶體的自由振盪完成。這類晶振主要應用於穩定度要求不高的場合。

壓控晶體振盪器(VCXO)。 這是根據晶振是否帶壓控功能來分類，帶壓控輸入引腳的一類晶振叫VCXO。

恆温晶體振盪器(以下簡稱OCXO)。 這類型晶振對温度穩定性的解決方案採用了恆温槽技術，將晶體置於恆温槽內，通過設置恆温工作點，使槽體保持恆温狀態，在一定範圍內不受外界温度影響，達到穩定輸出頻率的效果。這類晶振主要用於各種類型的通信設備，包括交換機、SDH傳輸設備、移動通信直放機、GPS接收機、電台、數字電視及軍工設備等領域。根據用户需要，該類型晶振可以帶壓控引腳。

恆温晶體振盪器原理框圖OCXO的主要優點是，由於採用了恆温槽技術，頻率温度特性在所有類型晶振中是最好的，由於電路設計精密，其短穩和相位噪聲都較好。主要缺點是功耗大、體積大，需要5分鐘左右的加熱時間才能正常工作等。

温度補償晶體振盪器(以下簡稱TCXO)。 其對温度穩定性的解決方案採用了一些温度補償手段，主要原理是通過感應環境温度，將温度信息做適當變換後控制晶振的輸出頻率，達到穩定輸出頻率的效果。傳統的TCXO是採用模擬器件進行補償，隨着補償技術的發展，很多數字化補償大TCXO開始出現，這種數字化補償的TCXO又叫DTCXO，用單片機進行補償時我們稱之為MCXO，由於採用了數字化技術，這一類型的晶振再温度特性上達到了很高的精度，並且能夠適應更寬的工作温度範圍，主要應用於軍工領域和使用環境惡劣的場合。

壓電晶體所能產生的穩定不變的振動正是無線電技術中控制頻率所必須的，我們家中的彩色電視機等許多電器設備中都有用壓電晶片製作的濾波器，保證了圖像和聲音的清晰度。你手上戴的石英電子錶中有一個核心部件叫石英振子。就是這個關鍵部件保證了石英錶比其他機械錶更高的走時準確度。

裝有壓電晶體元件的儀器使技術人員研究蒸汽機、內燃機及各種化工設備中壓力的變化成為現實。利用壓電晶體甚至可以測量管道中流體的壓力、大炮炮筒在發射炮彈時承受的壓力以及炸彈爆炸時的瞬時壓力等。

壓電晶體還廣泛應用於聲音的再現、記錄和傳送。安裝在麥克風上的壓電晶片會把聲音的振動轉變為電流的變化。聲波一碰到壓電薄片，就會使薄片兩端電極上產生電荷，其大小和符號隨着聲音的變化而變化。這種壓電晶片上電荷的變化，再通過電子裝置，可以變成無線電波傳到遙遠的地方。這些無線電波為收音機所接收，並通過安放在收音機喇叭上的壓電晶體薄片的振動，又變成聲音迴盪在空中。是不是可以這樣説，麥克風中的壓電晶片能“聽得見”聲音，而揚聲器上的壓電晶體薄片則會“説話”或“唱歌”。

石英晶體沿某些特定方向切割所得的石英晶片也具有壓電效應。由於石英晶體在壓力下產出的電場強度很小，這樣僅需很弱的外加電場即可產生形變。這一特性使壓電石英晶體很容易在外加交變電場激勵下產生諧振，而且振盪能損小，振盪頻率極穩定，加上其優良的機械、電氣和化學穩定性，使它自40 年代以來就成為石英鐘、電子錶、電話、電視、電腦等凡與數字電路有關的頻率基準而廣泛應用。

自60年代初，壓電石英晶體作為質量傳感器的應用一直侷限於氣相中，主要原因是其在液相中振盪一直未獲成功。因為晶體在液相中振盪導致的能損遠大於氣相中的損耗，早期的振盪電路又均是照搬氣相中的電路，難免實現不了石英晶體在液相中的振盪。直到1980年，Nomura和Konash 等實現了石英晶體在溶液中的振盪，開闢了壓電傳感器應用的全新領域。姚守拙等所設計的振盪電路，實現了雙面晶體在水溶液及高粘度溶液中的振盪，促進了壓電傳感器在溶液化學中的應用 ^[3]  。