压电晶体的来历

2018-07-05 17:46:25

在1906年居里兄弟皮尔(P•Curie)与杰克斯(J•Curie)发现了压电效应,起先,皮尔致力于焦电现象,与晶振对称性关系的研究,后来兄弟俩却发现,在某一类晶振中施以压力会有电性产生。他们有系统的研究了施压方向与电场强度间的关系,及预测某类晶体具有压电效应。

可是早在居里兄弟发现压电性后的三分之一世纪中,压电效应在应用上几乎没有受到任何重视。就是皮尔本人也只不过用它来测量镭元素所辐射出的电荷罢了。到了第一次世界大战,盟军军舰受到德国潜艇的攻击大量受损,于是设法寻找有效侦测潜艇的方法。因为电磁波无法有效穿透海水,而声波则能容易地在海里行进,因此,当时的蓝杰文(P.Langevin)发展出利用石英压晶体管作为声波产生器。可惜等到有了好结果,大战已接近尾声而来不及用上了。石英两面各贴一钢片,使其振荡频率降到50KHz,外加一电脉波讯号,则经换能器转换成声波传至海底;过一段时间后,换能器接收到由海底反射之回波,由来回时间及波在海中行进的速度,可决定换能器到海底的距离。这个原理同样可测潜艇的位置。

第一次大战后不久,石英换能器便发展出两项重要的应用。首先,哈佛大学的皮尔士教授(G.W.Pierce)用石英晶体制作超声波干涉仪,由石英所发生的超声波和图中声波反射器所反射的回波混合,产生极大值,若微调反射板使前进或后退,则可获得另一极大值,由两极大值间的距离,亦即反射板在两相邻极大值间所移动的距离,可测出声波波长。因为已知频率,因此由频率与波长的乘积,可定出波在气体介质中的速度。同时,由几个极大值间的振幅降低率,可求出波在气体中的表减系数。当时用它来测量声波在二氧化碳中波速对频率的关系,而求出波速的色散关系。用这种方法,可研究气体在不同混合比与温度下声波的波速与衰减率。

1927年,伍德(R.W.Wood)与鲁密斯(A.L.Loomis)首先使用高功率超声波。使用蓝杰文型的石英换能器配合高功率真空管,在液体中产生高能量,使液体引起所谓的空腔(cavitation)现象。同时也研究高功率超声波对生物试样的效应。

石英晶体另一个重要的应用在于获得高度频率选择性的振荡器。石英晶体是一个高Q值的压电芯片,高Q值意味着低的声波能量损耗(其衰减率则与频率平方成正比);高Q值也意味着窄频带,因此不适合声音传输电路使用。为了能在载波通信系统中使用,可用一串联电感来获得宽带操作。此类滤波器的结构图,它常被用在有线通讯系统、微波通讯系统等。

 在水下音响(underwatersound)的研究中发现,石英晶体并不是很好的换能器材料,但是它的振荡频率却不随温度而变,也就是所谓的具有低的温度系数。这种频率对温度的高稳定性,用在控制振荡器的频率,及某些滤波器上是最佳选择。后来,卡迪(Cady)教授第一次利用石英当作频率控制器,图四就是最早期的晶体控制振荡器电路。因为晶体具有极高的Q值,振荡器的频率受到晶体共振频率的控制,且频率不随温度变化而变。后来,皮尔士和皮尔士-米勒(Pierce-Miller)又发明一种以后广被采用的晶体控制振荡电路。在第二次世界大战中,大约使用了一千万个晶体振荡器,用以建立坦克与坦克之间及地面和飞机之间的通讯。

  现在晶振在生活中广泛用于通讯产品等电子消费类,其优点有:

1、频率长期稳定性极高;

2、Q值高,带宽很窄,有利于选频;

3、体积小,适应现在集成工艺要求。