原创 压电效应·晶体振荡器

       我们知道，晶体具有各向异性的特性。当沿着一定方向施加一个外力时，晶体发生变形的同时会产生极化现象，导致介质表面带电。这就是压电效应（piezoelectric effect）。

［发现者］1820年，李普曼（Lippmann）教授提出了晶体具有压电效应的理论，不久，他的学生居里兄弟通过对电气石的实验，证实了压电效应的存在。1881年，居里兄弟还通过实验验证了逆压电效应，并给出石英相同的正逆压电常数。所以，一般人都认为压电效应是皮埃尔·居里（Pierre Curie）和他的哥哥雅克斯·居里（Jacques Curie）发现的，其实这里面离不开他的老师李普曼教授的指导。皮埃尔·居里长期从事晶体方面的研究，做出许多卓有成效的工作。但后来为了给夫人提供力所能及的帮助，才放弃了晶体方面的研究工作，转而投入到放射性研究项目上去，并因为在1898年一年之内发现了钋(Po)和镭(Ra)两种新元素，获得了1903年度诺贝尔物理学奖。关于皮埃尔·居里的事迹网络上很多，这里就不详细介绍了。

图1  甘愿做夫人助手的皮埃尔·居里

         1894年，福克特（W. Voigt）更严谨地定出晶体结构与压电性的关系，他发现32种晶类（class）具有压电效应。第一次世界大战期间，蓝杰文（P. Langevin）第一次利用石英晶体制成了声纳，用于探测海洋深度。此后，石英振荡器技术开始受到重视，并逐渐扩大了应用领域。

［原理］石英作为压电晶体的代表，最早获得了实际应用。那么，石英晶体在机械力的作用下为什么会在其表面产生电荷呢？

        石英晶体（quartz crystal）的成份主要是SiO₂，晶格排列整齐，其每个晶体单元中有三个硅离子和六个氧离子（如图2），正负离子分布在正六边形的顶角上（如上图3a所示）。当作用力为零时，正负电荷相互平衡，所以外部没有带电现象。

图2  受到外力作用，石英晶体表面带上电荷

       如果在X轴方向施加压力（如上图b所示），则氧离子挤入硅离子2和6间，而硅离子4挤入氧离子3和5之间，结果在表面A上出现正电荷，而在月表面上出现负电荷。如果所受的力为拉力时，在表面A和B上的电荷极性就与前面的情况正好相反。

图3  从不同方向给晶体施加外力，会产生不同的效果

       如果沿y轴方向施加压力时，则在表面A和B上呈现的极性（如上c所示）。施加拉力时，电荷的极性与它相反。

        若沿Z轴方向施加力的作用时，由于硅离子和氧离子是对称的平移，故在表面没有电荷出现，因而不产生压电效应。

［应用］石英晶体振荡器

        基于压电效应的压电驱动器，能实现精确控制功能，是精密机械、微电子和生物工程等领域的重要器件。常用的压电材料有陶瓷、单晶和薄膜三种类型。陶瓷类的有钛酸钡(BaTiO3)、泰酸铅锆(PZT)，单晶类有石英(水晶)、电气石、罗德盐、钽酸盐、铌酸盐等，薄膜类的有氧化锆(ZnO)等。

        石英晶体常被用来制作振荡器，在电子线路中充当信号源。石英晶体的固有频率只与晶片的几何尺寸（包括晶体切割的方位，大小和形状）有关，其精度高而稳定，因此是一种最理想的振荡源材料。石英晶体振荡器制作工艺简单，制作成本很低。只要在石英晶片的两个面上各喷涂一层银(或金)，然后引出电极并加以封装，就构成了一个石英晶体振荡器。 

图4  晶振的内部结构

（李育择老师绘制）

        石英晶体振荡器的频率稳定度可达10^-9／日，甚至10^-11。例如10MHz的振荡器，频率在一日之内的变化一般不大于0.1Hz。因此，完全可以将晶体振荡器视为恒定的基准频率源，石英电子表和电脑都是利用石英晶体提供基准频率的。

       PC机从诞生到现在，主板上也一直使用一颗14.318MHz的石英晶体振荡器作为基准频率源。至于为什么始终沿用14.318MHz这个频率，或许是保持兼容性的需要吧。但是，笔者在显卡、闪存盘和手机中也发现了14.318MHz的晶振，就不知道是什么原因了。

有源晶振与无源晶振

        在电子学上通常将含有晶体管元件的电路称作“有源电路”（如有源音箱、有源滤波器等），而仅由阻容元件组成的电路称作“无源电路”。

       晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。无源晶振与有源晶振的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。无源晶振是有2个引脚的无极性元件，需要借助于外部电路提供一个交流信号才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振有4只引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体还有晶体管和阻容元件等（现在多集成为一个芯片），因此体积稍大。

图5   无源晶振只有两个引脚，而有源晶振内部，有电路外部有4个引脚，块头稍大

（286主板的局部，avan拍摄）