中國(guó)粉體網(wǎng)訊 石英晶體的化學(xué)成分為SiO2，晶體屬三方晶系的氧化物礦物，即低溫石英（a-石英），是石英族礦物中分布最廣的一個(gè)礦物種。廣義的石英還包括高溫石英（b-石英）。
通過對(duì)其性質(zhì)的利用，研制出諧振器等器件，在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮巨大的作用。例如石英表，就是利用其逆壓電效應(yīng)制成石英晶體振蕩器，通過石英表中裝有的紐扣電池為石英晶體振蕩器與集成電路提供能量，從而穩(wěn)定產(chǎn)生32768HZ的振蕩頻率，經(jīng)過集成電路進(jìn)行16級(jí)分頻和整形，最終輸出周期為2s的對(duì)稱方波（半個(gè)周期為1s)，脈沖直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，使電機(jī)轉(zhuǎn)子每秒轉(zhuǎn)動(dòng)一步，有了一秒這個(gè)時(shí)間的“原材料”，就能驅(qū)動(dòng)鐘表，從而帶動(dòng)輪系、針系來指示時(shí)間。
普通石英電子表每日誤差小于0.5秒，是機(jī)械表的幾十分之一，這主要?dú)w功于石英表中石英振蕩器高而穩(wěn)定的振蕩頻率。人們?cè)陂L(zhǎng)期研究如何提高鐘表走時(shí)準(zhǔn)確的過程中發(fā)現(xiàn)了一個(gè)原理，振蕩器的頻率越高，振蕩越穩(wěn)定，抗干擾能力越強(qiáng)，手表就越準(zhǔn)確。石英電子表的振蕩頻率為32768Hz，要比普通快擺機(jī)械表每秒3Hz的頻率高1萬倍。
看到這里，你肯定疑問石英晶體高而穩(wěn)定的振蕩頻率是怎么來的吧？接下來，我們就了解下石英晶體的壓電效應(yīng)與石英晶體其他的運(yùn)用。
一、石英晶體的壓電效應(yīng)
當(dāng)石英晶體在某個(gè)方向受到機(jī)械應(yīng)力的作用而變形時(shí)，其內(nèi)部就會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在其表面會(huì)產(chǎn)生極性相反的電荷；當(dāng)外力消失時(shí)，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)，當(dāng)外力方向改變時(shí)，電荷極性也隨之改變，這種現(xiàn)象稱之為壓電效應(yīng)。
反之，當(dāng)石英晶體受到交變電場(chǎng)作用時(shí)，晶體將在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械變形（機(jī)械振動(dòng)）；當(dāng)外加電場(chǎng)撤去后，該變形也隨之消失。這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，也稱作電致伸縮效應(yīng)。
具有壓電效應(yīng)的晶體稱之為壓電晶體，典型的壓電晶體就是石英晶體，壓電效應(yīng)就是在石英晶體中被發(fā)現(xiàn)的。
二、石英晶體的運(yùn)用
石英晶體振蕩器
石英晶體振蕩器是使用石英晶體作為諧振選頻電路的振蕩器。將石英晶體按一定的角切成薄片，在晶體切片的表面上裝上一對(duì)金屬極板，這樣就制成了石英晶體振蕩器。
石英晶體振蕩器是基于逆壓電效應(yīng)原理制成的。當(dāng)石英晶體受到交變電場(chǎng)時(shí)，石英晶體便會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)。由于石英晶體具有一定的固有振動(dòng)頻率，當(dāng)外加電場(chǎng)頻率等于其固有頻率時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生諧振。這就是石英晶體可以作為諧振選頻電路的基本原因。石英晶體振蕩器具有極高的頻率穩(wěn)定度，因而廣泛使用于要求頻率穩(wěn)定度高的設(shè)備中，例如標(biāo)準(zhǔn)頻率發(fā)生器、脈沖計(jì)數(shù)器、石英鐘等。
石英晶體微天平
石英晶體微天平（Quartz Crystal Microbalance-QCM）是一種基于石英晶體的壓電效應(yīng)對(duì)其電極表面質(zhì)量變化進(jìn)行測(cè)量的儀器。其發(fā)展始于上世紀(jì)60年代初期，是一種非常靈敏的質(zhì)量檢測(cè)儀器，其測(cè)量精度可達(dá)納克級(jí)。
石英晶體微天平就是利用了石英晶體諧振器的壓電特性，將石英晶振電極表面質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)化為石英晶體振蕩電路輸出電信號(hào)的頻率變化，進(jìn)而通過計(jì)算機(jī)等其他輔助設(shè)備獲得高精度的數(shù)據(jù)。
石英晶體微天平在醫(yī)療、化工、食品、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域中均得到了廣泛的應(yīng)用。
壓電生物傳感器
（1）壓電免疫傳感器
壓電免疫傳感器的基本原理就是將抗體或抗原固定于石英晶體表面, 利用抗原與抗體的特異親合反應(yīng),當(dāng)待測(cè)的抗原或抗體與所固定的識(shí)別物相互作用而產(chǎn)生特異吸附時(shí),就會(huì)導(dǎo)致晶體表面質(zhì)量負(fù)載的增加,所吸附的抗體或抗原的量可以通過傳感器的頻率變化加以監(jiān)測(cè)。
（2）壓電基因傳感器
壓電傳感器測(cè)定DNA的基本原理是將單鏈DNA探針固定到晶體表面, 當(dāng)序列與之互補(bǔ)的待測(cè)DNA在晶片上雜交形成雙鏈DNA時(shí), 晶體的質(zhì)量增加和產(chǎn)生表面粘彈性變化, 根據(jù)傳感器頻率變化和網(wǎng)絡(luò)分析加以測(cè)定。
參考資料
王秋菊.淺析石英晶體的壓電效應(yīng)及應(yīng)用
陳令新.壓電晶體傳感器的研究進(jìn)展
李學(xué)利.石英晶體的識(shí)別、結(jié)構(gòu)、工作原理及檢測(cè)方法
張洪光.指針式石英表的原理與維修
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/漫道）
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