标签: 压电效应

摘要 ： 石英传感器是一种基于石英晶体压电效应的高精度传感装置，广泛应用于工业、医疗、汽车电子等领域。其核心原理是通过压电效应将机械信号转化为电信号，或反之，实现对压力、温度、加速度等物理量的精确测量。本文系统介绍石英传感器的工作原理、技术优势、典型应用及未来发展趋势，解析这一 “微小元件”如何在现代科技中的重要作用与创新潜力。 关键词： 石英传感器、压电效应、频率稳定性、晶体谐振器、高精度测量、 智能传感、工业检测、生物医学 起源： 石英传感器的科学基石 石英的独特性质，石英（ SiO ₂）是地壳中含量第二丰富的矿物，其晶体结构具有高度对称性和稳定性。 1880 年，法国科学家皮埃尔 · 居里与兄弟雅克 · 居里在石英晶体上首次发现压电效应 —— 当晶体受到机械压力时，表面会产生电荷；反之，施加电场时晶体会发生形变。这种机械能与电能相互转换的特性，奠定了石英传感器的理论基础。 工作原理： 石英传感器的工作原理基于石英晶体的压电效应。石英晶体是一种具有天然压电性的材料，当受到外界力的作用时，晶体内部的正负电荷中心会发生相对位移，从而产生电势差，即压电效应。石英传感器通过测量这个电势差来推算出外界力的大小，从而实现对各种物理量的测量。 工作机制： 从原理到实践：传感器的工作机制 石英传感器的核心部件是经过精密切割的石英晶片。不同切割角度（如AT 切、 SC 切）的晶片对应不同的振动模式与温度特性： 厚度剪切模式：常用于压力传感器，晶片厚度方向振动频率随压力变化 表面声波模式：适用于气体检测，吸附分子改变表面波传播速度 体声波模式：在液体环境中检测粘度、密度等参数 通过将待测物理量（如压力、加速度）转化为石英晶体的形变量，再经电路系统将振动频率变化转化为数字信号，最终输出精确的测量结果。以汽车胎压监测系统（TPMS ）为例，石英传感器可实时感知 0.1bar 级别的压力波动，并通过无线模块传输数据。 主要类型： 石英传感器根据不同的应用需求，可以分为多种类型，常见的有： 1 、 石英振荡器：用于测量频率或时间，具有极高的稳定性和准确度。 2 、 石英压力传感器：通过测量压力变化引起的石英晶体形变，来推算出压力值。 3 、 石英加速度传感器：利用石英晶体在加速度作用下的形变来测量物体的加速度。 4 、 石英温度计：利用石英晶体的振动频率与温度之间的关系来测量温度。 应用 领域 ：从工业到生活的全场景渗透 1. 工业自动化：精密制造的 “ 守门人 ” 压力监测：石英压力传感器用于飞机引擎、油气管道等场景，耐受200MPa 高压及极端温度。 振动分析：通过谐振频率异常检测机械故障，在风电涡轮机监测中精度达0.1μm 级位移。 2. 医疗健康：微观世界的 “ 诊断师 ” 血糖检测：石英晶体表面修饰葡萄糖氧化酶，通过频率变化实现无创监测。 DNA 杂交分析： QCM 技术可实时追踪核酸结合过程，灵敏度达皮克（ 10⁻¹² 克）级别。 3. 环境监测：生态系统的 “ 听诊器 ” 气体传感器：功能化涂层选择性吸附CO₂ 、 VOCs 等气体，检测限低至 ppb 级。 水质分析：监测水中重金属离子浓度，响应时间短于5 秒。 4. 消费电子：智能设备的 “ 隐形英雄 ” 智能手机：石英陀螺仪实现精准姿态感知，误差小于0.01°/ 小时。 可穿戴设备：柔性石英薄膜用于监测心率、呼吸等生理信号。 技术优势： 1. 温度稳定性：在 -40℃ 至 +125℃ 范围内频率漂移小于 ±0.005% ，适应极端环境 2. 长期可靠性：石英材料无老化效应，使用寿命可达 10 年以上 3. 抗干扰能力：输出信号为频率量，对电磁噪声不敏感 4. 微型化潜力： MEMS 技术已实现毫米级传感器量产 现存挑战： 高频信号处理电路复杂度高 ； 多维参数同步测量存在耦合干扰 ； 温度补偿需求 ； 功能化修饰难度 ； 超微型化导致灵敏度下降 ； 未来展望：新材料与新维度的突破 1. 异质集成技术：将石英与石墨烯、氮化铝等材料结合，开发宽频带传感器。 2. 片上实验室（ Lab-on-a-Chip ）：微流控技术与 QCM 结合，实现单细胞级别生物检测。 3. 量子传感探索：利用石英谐振器的量子基态特性，突破经典测量极限。 总之，从钟表机芯到火星探测器，石英传感器以 “微观振动感知宏观世界”的独特方式，持续推动测量技术的革新。随着 MEMS 工艺和人工智能算法的进步，这颗“会思考的晶体”将在物联网、精准医疗等领域绽放更大潜能，悄然重塑人类感知世界的方式。

陶瓷谐振器（Ceramic Resonator）是利用压电陶瓷 (一般为锆钛酸铅，PZT) 的压电效应产生谐振频率的电子元件，电路符号与石英晶体谐振器（Quartz Crystal）相同。 与石英晶体谐振器（Quartz Crystal）相比，陶瓷谐振器也属于无源谐振元件，两者的起振原理也非常相似，但陶瓷元件的频率精度不如石英谐振器，通常用于消费、工业、汽车领域中对频率精度要求不高，但使用温度范围更广的应用。 图1. 陶瓷谐振器及电路符号 谐振原理 陶瓷谐振器的振子为压电陶瓷材料，施加电压时陶瓷会膨胀或收缩，受力时陶瓷会产生电压，这就是压电效应。 陶瓷材料的基本单元是微晶体，每个晶体由带正电荷或负电荷的原子构成。在自然状态下，大多数陶瓷带有的正、负电荷是平衡的，但也有一种介电陶瓷 (称为铁电体) 在晶体中带有不平衡的正、负电荷，会造成偏电荷，也就是发生自发极化。 焙烧后，铁电陶瓷会立即发生自发极化并产生随机极轴，而正、负电荷整体上是平衡的。但是，随着高直流电压的应用，自发极化产生的极轴在相同的方向上对齐，即使去掉电压，极轴也不会随之消失。使自发极化极轴对准的过程被称为极化过程。 如果将极化过程应用于铁电陶瓷，就会生成压电陶瓷。当给压电陶瓷施加外部电压时，陶瓷内的正、负电荷的中心会相互吸引或排斥，就会造成陶瓷的膨胀或缩小。或者，给压电陶瓷施加压力，就会在压电陶瓷的对面产生正、负电荷；如果对压电陶瓷施加张力，电荷的极性会相反。 利用这种晶体极化，可以使电能和机械能相互转化。基于压电陶瓷的机械谐振频率随振动模式的变化而变化的特性，可以制作出各种陶瓷元件，如陶瓷谐振器、陶瓷滤波器、陶瓷陷波器、声表滤波器、压电蜂鸣器等。 性能特点 与石英晶体谐振器对比，虽然陶瓷谐振器的频率和温度稳稳定度欠佳，但尺寸小，可在150度下运作，符合AEC-Q200标准，而且成本只有晶体的一半。 图2. 陶瓷谐振器与其他谐振组件的比较 （1） 尺寸小，重量轻。陶瓷谐振器为独石结构，尺寸只有普通石英晶体谐振器尺寸的一半，而且坚固抗震。 （2）成本低，免调整。与CR、LC电路不同，陶瓷谐振器利用的是机械谐振而不是电谐振，基本上不受外部电路或电源电压波动的影响，可以制作成无需调整的高度稳定的振荡电路，便于客户批量生产。 （3）内置负载电容。陶瓷谐振器属于负载电容内置型，谐振电路设计较为简单。同时，它还能节省包括负载电容在内的基板贴装面积。 （4）轻薄、外形小。采用轻薄的小外形设计，可减少元件数量。无外置电容的尺寸减少了约48%（与晶体3225尺寸相比），有助于实现模块元件的小型化。 （5）高可靠性需求。具有支持CAN通信等高精度通信的电气特性，为在发动机、电池附近等以及温度更高的环境中工作，工作温度最高可达到150度。 主要技术指标上，陶瓷谐振器和石英晶体相似，有频率、频率公差、工作温度范围、频率温度特性、频率老化等。 图3. 陶瓷谐振器的技术指标 选型及替代 从技术参数看，只要价格和安装尺寸允许，石英晶振可以直接代替陶瓷谐振器。对于频率要求不苛刻的应用，陶瓷谐振器依然是的优选时钟元件，例如电动汽车EV/PHEV的车载电池管理系统（BMS）、充电机（OBC）、水泵（WP）以及DC-DC转换器等。 用陶瓷谐振器代替石英晶振，元件价格降低了，温度性能也提高了。但须注意谐振电阻和负载电容，有的陶瓷谐振器已经内置了负载电容，这样可大幅降低BOM成本，还节省了PCB安装尺寸，有利于实现轻薄短小的终端产品。

谈到晶振如何产生时钟信号，我们需要从晶片的 压电效应 说起： 压电效应和晶片内部的结构有关。石英晶体的化学式为二氧化硅SiO2，一个硅离子和两个氧离子交替排列组成的正六边形排列结构。 压电效应的定义为：当石英晶体受到压力，表面会产生电荷，电荷量和外机械力成正比的关系。反之，对晶片两端的电极施加电压时，晶体会产生机械变形。 左图：未受到外力作用的晶格。 右图：当晶体沿着X轴或Y轴方向受到压力，晶格都会变形。 石英晶体的压电谐振现象可以用 等效电路 来模拟： 等效电路包括静态电容C0, 动态电容C1, 谐振电阻R1, 以及动态电感L1。晶振频率稳定性和晶片的Q值有着密切的关系。Q值越高，频率越稳定。

通过对X7R 电容的温度和电压变化调查，强调了数据表的重要性。 几年以前，经过用瓷片电容的25年多工作之后，我对它们有了新的领悟。那时我正在忙于做一个LED灯泡驱动器，当时我项目中一个RC电路的时间常数显然是有问题。 我第一个假设是：电路板上某个元件值不正确，于是我测量用作一个分压器的两只电阻，但它们都没有问题。我把电容从电路板上拆下来测量，也没有问题。为了进一步确认，我测量并装上了新电阻和新电容，给电路上电，检查发现基本运行正常，然后看更换元件是否解决了RC电路时间常数问题。但答案是否定的。 我是在自然的环境下测试电路：在外壳内，电路处于外壳内，模拟了一个屋顶照明灯的“罐子”。有时元件温度会升到100多摄氏度。虽然我重新测试RC电路的时间很短，一切仍非常烫手。 显然，我的下一个结论是：问题在于电容的温度变化。但是我自己都怀疑这个结论，因为我用的可是X7R电容，根据我的记忆，这种电容最高可工作到+125°C，变化也只有±15%。我信任我的记忆力，但是为了保险起见，我重新查看了所使用电容的数据表。 背景报告 表1给出了用于不同种类瓷片电容的字母与数字，以及它们各自的含义。表格描述了Class II和Class III两种瓷片电容。这里不谈太多细节，Class I级电容包括常见的COG(NPO)型；这种电容的体积效率不及表格中的两种电容，但是它在多变环境条件下要稳定得多，而且不会出现压电效应。相反，表格中的电容具有广泛多变的特性，它们能够扩展并承受所施加的电压，但有时会产生可听到的压电效应（蜂鸣声或振铃声）。 在给出的多种电容类型中，据我的经验，最常用的是X5R、X7R，还有Y5V。我从来没用过Y5V，因为它们在整个环境条件区间内，会表现出极大的电容量变化。 当电容公司开发产品时，他们会通过选择材料的特性，使电容能够在规定的温度区间（第一个和第二个字母），工作在确定的变化范围内（第三个字母；表1）。我正在使用的是X7R电容，它在-55°C到+125°C之间的变化不超过±15%。所以，要么我是用了一批劣质电容，要么我的电路其它部分有问题。 不是所有的X7R电容都一样 既然我的RC电路时间常数问题无法用特定温度变量来解释，就必须深入研究。看着我那支电容的容量与施加电压的数据，我惊奇的发现，电容随着设置条件的变化量是如此之大。我选择的是一只工作在12V偏压下的16V电容。数据表显示，我的4.7-μF电容在这些条件下通常是提供1.5μF的容量。现在，就完全能解释RC电路的问题了。 数据表显示，如果我把电容封装尺寸从0805增加到1206，在规定条件下的典型电容量将是3.4μF。这表明有进一步研究的必要。 我发现村田制作所(www.murata.com)和TDK公司(www.tdk.com)在网站上提供了很好的工具，能够绘出不同的环境条件下的电容量变化。我对不同尺寸和额定电压的4.7μF电容做了一番研究。图1数据是取自村田的工具，针对几种不同的4.7μF瓷片电容。我同时观察了X5R和X7R两种型号，封装尺寸从0603到1812，额定电压从6.3到25V dc。首先我注意到，随着封装尺寸的增加，随所施加直流电压的电容量变化下降，并且幅度很大。 图一 本图描绘了所选4.7-μF电容上直流电压与温度变化量的关系，如图所示，随着封装尺寸的增加，电容量随施加电压的而大幅度下降。 CAPACITANCE(μF) 电容量 (μF) DC VOLTAGE (V)直流电压 (V) 第二个有趣的点是，对于某个给定的封装尺寸和瓷片电容类型，电容的额定电压似乎一般没有影响。于是我估计，如将一只额定25V的电容用于12V电压，则其电容变化量要小于同样条件下的额定16V电容。看看1206封装X5R的曲线，显然额定6.3V元件的性能确实优于有较高额定电压的同类品种。 如果我们检验更大范围的电容，就会发现这种情况很常见。对于我研究的那些电容样本集，并没有展示出普通瓷片电容应有的表现。 《电子设计技术》网站版权所有，谢绝转载 观察到的第三个问题是：对于同样的封装，X7R电容的温度敏感度要高于X5R电容。我不知道这是否普遍适用，但是在我的实验里似乎是这样。 从图中可以看出，表2显示了X7R电容在12V偏压货款，电容量的减少量。注意，随着电容封装尺寸逐步增加到1210，电容量有着稳步的增长，但是超过这个尺寸就没有多大改变了。 选择正确的电容 在我的例子中，我为4.7μF的X7R电容选择了最小的可用封装，因为尺寸是我项目的一个考虑因素。由于本人的无知，因而假设了任何一种X7R都与其它X7R有相同的效果；而显然，情况并非如此。为使我的应用得到正确的性能，我必须采用某种更大的封装。 我真的不想用1210封装。幸运的是，我可以把所用电阻值增大5x,因而电容量减少到了1μF。 图2是几种16V、1μF X7R电容与16V、4.7μF X7R电容的电压特性图。0603的1μF电容和0805的4.7μF电容表现相同。0805和1206的1μF电容性能都略好于1210的4.7μF电容。因此，使用0805的1μF电容，我就可以保持电容体积不变，而偏压下电容只降到额定量的大约85%，而不会到30%。 但我还是困惑。我曾认为所有X7R电容都应该有着相同的电压系数，因为所用的电介质是相同的，都是X7R。所以我向一位同事，日本TDK公司的现场应用工程师克里斯?伯克特请教，他也是瓷片电容方面的专家。他解释说很多材料都能满足“X7R”资格。事实上，任何一种材料，只要能使器件满足或超过X7R温度特性（即在-55°C到+125°C范围内，变化在±15%），都可以叫做X7R。伯克特也解释说，并没有专门针对X7R电容或任何其他类型瓷片电容的电压系数规范。 这是一个关键的要点，因此我要再重复一遍。只要一个电容满足了温度系数规范，不管其电压系数多么糟糕，厂商都可以把这个电容叫做X7R电容（或者X5R,或其他任何类型）。这个事实印证了任何一位有经验电器工程师都知道的那句准则（双关语）：去读数据表！ 由于厂商越来越倾向于小型元件，所以他们不得不对使用的材料作出妥协。为了用更小的尺寸获得所需要的体积效率，他们被迫接受了更糟糕的电压系数。当然，有信誉的制造商会尽量减少这种折中的副作用。 结论是，在使用小封装瓷片电容的时候（实际在使用任何元件的时候），阅读数据表都极为重要。但很遗憾，通常我们见到的数据表都很简短，几乎无法为你做决定提供任何需要的信息，所以你必须坚持让制造商给出更多的信息。 那么被我否定的Y5V电容怎么样呢？纯为好玩，我们来研究一个普通的Y5V电容。我选择的是一个4.7μF、0603封装的额定6.3V电容）我不会提制造厂商，因为它的Y5V电容并不劣于任何其他厂商的Y5V电容），并查看它在5V电压和+ 85° C下的规格。在5V电压下，典型的电容量比额定值低92.9%，或为0.33 μF。 这就对了。如果给这个6.3V的电容加5V偏压，则其电容量要比额定值小14倍。 在0V偏压+85°C时，电容量会减少68.14%，从4.7μF降至1.5μF。现在，你可能觉得，在5V偏压下，电容量会从0.33降至0.11μF。幸运的是，两个效应并没有以这种方式结合到一起。在这个特例中，室温条件下加5V偏压的电容变化要差于+85°C。 明确地说，这个电容在0V偏压下，电容量会从室温的4.7μF降到+85°C的1.5μF；而在5V偏压下，电容量会从室温的0.33μF增加到+85°C的0.39μF。这个结果应该让你信服了，真的有必要仔细查看元件规格。 着手处理细节 这次教训之后，我再也不会向同事或消费者推荐某个X7R或X5R电容了。我会向他们推荐某家供应商的某种元件，而我已经检查过该元件的数据。我也提醒消费者，在考虑制造的替代供应商时，一定要检查数据，不要遭遇我的这种问题。 你可能已经察觉到了更大的教训，那就每次都要阅读数据表，无一例外。如果数据表上没有足够的信息，要向厂商要具体的数据。也要记住，瓷片电容的命名X7R、Y5V等跟电压系数毫无关系。工程师们必须检查了数据才能知道（真正地知道）某种电容在该电压下的性能如何。 最后请记住：当我们持续疯狂的追求更小尺寸时，它也成为了每天都会遇到的问题。 致谢 作者感谢克里斯.伯克特，日本TDK公司的现场应用工程师，因为他解释了同一命名瓷片电容有广泛差异的电压系数的原因。 《电子技术设计》网站版权所有，谢绝转载