石英晶体（压电）

石英晶体（压电）

石英晶体是压电材料的一种，化学成分SiO₂，为单晶结构，理想形状为六角锥体。石英晶体是各向异性材料，不同晶向具有各异的物理特性。其压电效应于1880年被居里（Curie）兄弟发现。

晶体三轴定义

• z轴（光轴）：通过锥顶端的纵向轴。沿该方向受力不会产生压电效应。
• x轴（电轴）：经过六棱柱的棱线并垂直于z轴的轴。压电效应只在该轴的两个表面产生电荷集聚。沿该方向受力产生的压电效应称为“纵向压电效应”。
• y轴（机械轴）：与x、z轴同时垂直的轴。该方向只产生机械变形，不会出现电荷集聚。沿该方向受力产生的压电效应称为“横向压电效应”。

压电效应定量公式

• 纵向压电效应（沿x轴受力）：在yz平面产生电荷，$q_x=d_{11}{f}_x$，与切片几何尺寸无关。
• 横向压电效应（沿y轴受力）：在yz平面产生电荷，$q_y=-d_{11}\frac{a}{b}{f}_y$，与切片长厚比（a/b）成正比。式中d₁₁为x方向受力的压电系数，石英晶体典型值约为2.3×10⁻¹² C/N。
• 沿z轴受力：不产生压电效应。

微观机制

石英晶体由硅离子（Si⁴⁺）和氧离子（O²⁻）组成。在无外力时，正负电荷重心重合，晶体呈电中性。外力作用导致正负离子相对位置变动，重心不再重合，从而在表面产生电荷。

相关页面

• 压电效应 — 压电效应的基本概念
• 压电式传感器 — 基于压电效应的传感器
• 压电材料 — 各类压电材料概述