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。而石英晶振有兩個優(yōu)點：

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),形成一個獨立的直接和即時的微力測量單元。

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邊垂直的三條軸線稱為機械軸(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)。沿某一機械軸或者電軸施加壓力,則在垂直于這些軸的兩個表面上就產(chǎn)生了異號電荷,其值與機械壓力產(chǎn)生的機械形變成正比,若施以張力,則表面上的電荷與受壓時的符號相反。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面之間加一電場,則晶體在電軸或機械軸方向上就會延伸或壓縮,延伸或壓縮量與電場強度成正比。

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械振動,晶體的振動頻率應(yīng)等于交變電場的頻率,在電路中也就是驅(qū)動電源的頻率。當(dāng)石英晶體諧振器振動時,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,可以視之為一個電路元件。

石英晶振晶體本身還具有固有振動頻率,此振動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頻率和加于其上的交變電場的頻率相同時,晶體就會發(fā)生諧振,此時振動的幅值最大,同時壓電效應(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)性也達最大,這樣石英晶體諧振器,石英晶振晶體的機械振動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,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,晶體呈容性;當(dāng)工作頻率在f0與f之間時,晶體呈感性;當(dāng)工作頻率f>f時,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。