石英晶振主要用在電路中作穩(wěn)頻元件。為了克服傳統(tǒng)的掃描探針顯微鏡在應(yīng)用中的不足,本文采用石英晶振作為微力傳感器來取代傳統(tǒng)的微懸臂和位移檢測裝置。而石英晶振有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

1、壓電效應(yīng),從而使石英晶振免去了中間轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié),形成一個(gè)獨(dú)立的直接和即時(shí)的微力測量單元。

2、空氣中極高的品質(zhì)因素,從而使最小可測力梯度減小,傳感器的靈敏度提高。

2.1晶振作為測量元件的物理特性研究

石英晶振晶體是六棱柱而兩端呈角錐形的結(jié)晶體,其化學(xué)成分是Si02,下圖所示是石英晶振晶體的坐標(biāo)軸系：

通常將通過兩頂端的軸線稱為光軸(Z軸),與光軸垂直又通過晶體切面的六個(gè)角的三條軸線稱為電軸(X軸),與光軸垂直又和石英晶振晶體橫切面六邊形的六個(gè)邊垂直的三條軸線稱為機(jī)械軸(Y軸),X軸、Y軸、Z軸統(tǒng)稱為晶體的坐標(biāo)軸系。在同一方向上,石英晶振晶體的性質(zhì)是完全相同的。

石英晶體是一種各向異性的晶體,它具有正壓電效應(yīng)。沿某一機(jī)械軸或者電軸施加壓力,則在垂直于這些軸的兩個(gè)表面上就產(chǎn)生了異號(hào)電荷,其值與機(jī)械壓力產(chǎn)生的機(jī)械形變成正比,若施以張力,則表面上的電荷與受壓時(shí)的符號(hào)相反。造成這種結(jié)果的原因是貼片晶振,石英晶振晶體的晶格在壓力下變形,導(dǎo)致電荷分布不均勻。石英晶體還具有逆壓電效應(yīng),如果在石英晶體兩個(gè)面之間加一電場,則晶體在電軸或機(jī)械軸方向上就會(huì)延伸或壓縮,延伸或壓縮量與電場強(qiáng)度成正比。

如果將石英晶體置于交變電場中,則在電場的作用下,貼片晶振晶體的體積會(huì)發(fā)生周期性的壓縮或拉伸的變化,這樣就形成了晶體的機(jī)械振動(dòng),晶體的振動(dòng)頻率應(yīng)等于交變電場的頻率,在電路中也就是驅(qū)動(dòng)電源的頻率。當(dāng)石英晶體諧振器振動(dòng)時(shí),在它的兩表面產(chǎn)生交變電荷,結(jié)果在電路中出現(xiàn)了交變電流,這樣壓電效應(yīng)使得晶體具有了導(dǎo)電性,可以視之為一個(gè)電路元件。

石英晶振晶體本身還具有固有振動(dòng)頻率,此振動(dòng)頻率決定于晶體的幾何尺寸、密度、彈性和泛音次數(shù),當(dāng)石英晶振晶體,有源晶振的固有振動(dòng)頻率和加于其上的交變電場的頻率相同時(shí),晶體就會(huì)發(fā)生諧振,此時(shí)振動(dòng)的幅值最大,同時(shí)壓電效應(yīng)在石英晶振晶體表面產(chǎn)生的電荷數(shù)量和壓電電導(dǎo)性也達(dá)最大,這樣石英晶體諧振器,石英晶振晶體的機(jī)械振動(dòng)與外面的電場形成電壓諧振,這就是石英晶體作為振蕩器的理論基礎(chǔ)。

石英晶體的電氣特性可用圖中所示的等效電路圖來表示,由等效電阻R1、等效電感L1和等效電容C1組成的串聯(lián)諧振回路和靜態(tài)電容Co并聯(lián)組成,靜態(tài)電容C0主要由貼片晶振,有源晶振,石英晶體的尺寸與電極確定,再加上支架電容組成。等效電感L1和等效電容C1由切型、石英晶體片和電極的尺寸形狀來確定。等效電阻R1是決定石英晶振Q的主要因素,是直接影響石英晶體諧振器工作效果的一個(gè)重要參數(shù)。R1不僅由切型、石英晶體片形狀、尺寸、電極決定,而且加工條件、裝架方法等對其影響也很大。因此,同一型號(hào),同一頻率的若干產(chǎn)品其Q值也相差很大。

在等效電路中,L1和C1組成串聯(lián)諧振電路,諧振頻率為:

通常石英晶體諧振器的阻抗頻率特性可用圖2.3表示。此處忽略了等效電阻R1的影響,由圖可見,當(dāng)工作頻率f時(shí),晶體呈容性;當(dāng)工作頻率在f0與f之間時(shí),晶體呈感性;當(dāng)工作頻率f>f時(shí),晶體又呈容性。晶體在晶體振蕩器主振蕩級的振蕩電路呈現(xiàn)感性,即工作頻率在f于f之間。