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石英晶体为何能准确定义一秒钟?
添加日期:2020-08-11    阅读:1750次

石英晶体的化学成分为SiO2,晶体属三方晶系的氧化物矿物,即低温石英(a-石英),是石英族矿物中分布最广的一个矿物种。广义的石英还包括高温石英(b-石英)。

通过对其性质的利用,研制出谐振器等器件,在工业生产中发挥巨大的作用。例如石英表,就是利用其逆压电效应制成石英晶体振荡器,通过石英表中装有的纽扣电池为石英晶体振荡器与集成电路提供能量,从而稳定产生32768HZ的振荡频率,经过集成电路进行16级分频和整形,最终输出周期为2s的对称方波(半个周期为1s),脉冲直接驱动电机,使电机转子每秒转动一步,有了一秒这个时间的原材料,就能驱动钟表,从而带动轮系、针系来指示时间。

普通石英电子表每日误差小于0.5秒,是机械表的几十分之一,这主要归功于石英表中石英振荡器高而稳定的振荡频率。人们在长期研究如何提高钟表走时准确的过程中发现了一个原理,振荡器的频率越高,振荡越稳定,抗干扰能力越强,手表就越准确。石英电子表的振荡频率为32768Hz,要比普通快摆机械表每秒3Hz的频率高1万倍。

看到这里,你肯定疑问石英晶体高而稳定的振荡频率是怎么来的吧?接下来,我们就了解下石英晶体的压电效应与石英晶体其他的运用。

 一、石英晶体的压电效应

当石英晶体在某个方向受到机械应力的作用而变形时,其内部就会产生极化现象,同时在其表面会产生极性相反的电荷;当外力消失时,又恢复到不带电状态,当外力方向改变时,电荷极性也随之改变,这种现象称之为压电效应。

反之,当石英晶体受到交变电场作用时,晶体将在一定方向上产生机械变形(机械振动);当外加电场撤去后,该变形也随之消失。这种现象称为逆压电效应,也称作电致伸缩效应。

具有压电效应的晶体称之为压电晶体,典型的压电晶体就是石英晶体,压电效应就是在石英晶体中被发现的。

二、石英晶体的运用

石英晶体振荡器

石英晶体振荡器是使用石英晶体作为谐振选频电路的振荡器。将石英晶体按一定的角切成薄片,在晶体切片的表面上装上一对金属极板,这样就制成了石英晶体振荡器。

石英晶体振荡器是基于逆压电效应原理制成的。当石英晶体受到交变电场时,石英晶体便会产生机械振动。由于石英晶体具有一定的固有振动频率,当外加电场频率等于其固有频率时,便会产生谐振。这就是石英晶体可以作为谐振选频电路的基本原因。石英晶体振荡器具有极高的频率稳定度,因而广泛使用于要求频率稳定度高的设备中,例如标准频率发生器、脉冲计数器、石英钟等。

 石英晶体微天平

 石英晶体微天平(Quartz Crystal Microbalance-QCM)是一种基于石英晶体的压电效应对其电极表面质量变化进行测量的仪器。其发展始于上世纪60年代初期,是一种非常灵敏的质量检测仪器,其测量精度可达纳克级。

 石英晶体微天平就是利用了石英晶体谐振器的压电特性,将石英晶振电极表面质量的变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化,进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的数据。

 石英晶体微天平在医疗、化工、食品、生物医学、环境监测、工业、军事等领域中均得到了广泛的应用。

压电生物传感器

1)压电免疫传感器

压电免疫传感器的基本原理就是将抗体或抗原固定于石英晶体表面, 利用抗原与抗体的特异亲合反应,当待测的抗原或抗体与所固定的识别物相互作用而产生特异吸附时,就会导致晶体表面质量负载的增加,所吸附的抗体或抗原的量可以通过传感器的频率变化加以监测。

2)压电基因传感器

压电传感器测定DNA的基本原理是将单链DNA探针固定到晶体表面, 当序列与之互补的待测DNA在晶片上杂交形成双链DNA, 晶体的质量增加和产生表面粘弹性变化, 根据传感器频率变化和网络分析加以测定。

来源:中国粉体网

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