早期壓電效應(yīng)是被用來測量鐳元素所輻射出的電荷
可是早在居里兄弟發(fā)現(xiàn)壓電性后的三分之一世紀(jì)中,壓電效應(yīng)在應(yīng)用上幾乎沒有受到任何重視。就是皮爾本人也只不過用它來測量鐳元素所輻射出的電荷罷了。到了第一次世界大戰(zhàn),盟軍軍艦受到德國潛艇的攻擊大量受損,于是設(shè)法尋找有效偵測潛艇的方法。因?yàn)殡姶挪o法有效穿透海水,而聲波則能容易地在海里行進(jìn),因此,當(dāng)時的藍(lán)杰文(P.Langevin)發(fā)展出利用石英壓晶體管作為聲波產(chǎn)生器。可惜等到有了好結(jié)果,大戰(zhàn)已接近尾聲而來不及用上了。石英兩面各貼一鋼片,使其振蕩頻率降到50KHz,外加一電脈波訊號,則經(jīng)換能器轉(zhuǎn)換成聲波傳至海底;過一段時間后,換能器接收到由海底反射之回波,由來回時間及波在海中行進(jìn)的速度,可決定換能器到海底的距離。這個原理同樣可測潛艇的位置。
第一次大戰(zhàn)后不久,石英換能器便發(fā)展出兩項(xiàng)重要的應(yīng)用。首先,哈佛大學(xué)的皮爾士教授(G.W.Pierce)用石英晶體諧振器制作超聲波干涉儀,由石英所發(fā)生的超聲波和圖中聲波反射器所反射的回波混合,產(chǎn)生極大值,若微調(diào)反射板使前進(jìn)或后退,則可獲得另一極大值,由兩極大值間的距離,亦即反射板在兩相鄰極大值間所移動的距離,可測出聲波波長。因?yàn)橐阎l率,因此由頻率與波長的乘積,可定出波在氣體介質(zhì)中的速度。同時,由幾個極大值間的振幅降低率,可求出波在氣體中的表減系數(shù)。當(dāng)時用它來測量聲波在二氧化碳中波速對頻率的關(guān)系,而求出波速的色散關(guān)系。用這種方法,可研究氣體在不同混合比與溫度下聲波的波速與衰減率。
1927年,伍德(R.W.Wood)與魯密斯(A.L.Loomis)首先使用高功率超聲波。使用藍(lán)杰文型的石英換能器配合高功率真空管,在液體中產(chǎn)生高能量,使液體引起所謂的空腔(cavitation)現(xiàn)象。同時也研究高功率超聲波對生物試樣的效應(yīng)。
石英晶振另一個重要的應(yīng)用在于獲得高度頻率選擇性的振蕩器。石英晶體是一個高Q值的壓電芯片,高Q值意味著低的聲波能量損耗(其衰減率則與頻率平方成正比);高Q值也意味著窄頻帶,因此不適合聲音傳輸電路使用。為了能在載波通信系統(tǒng)中使用,可用一串聯(lián)電感(見圖五)來獲得寬帶操作。此類濾波器的結(jié)構(gòu)圖,它常被用在有線通訊系統(tǒng)、微波通訊系統(tǒng)等。
在水下音響(underwatersound)的研究中發(fā)現(xiàn),石英晶體并不是很好的換能器材料,但是它的振蕩頻率卻不隨溫度而變,也就是所謂的具有低的溫度系數(shù)。這種頻率對溫度的高穩(wěn)定性,用在控制振蕩器的頻率,及某些濾波器上是最佳選擇。后來,卡迪(Cady)教授第一次利用石英當(dāng)作頻率控制器,圖四就是最早期的晶體控制振蕩器電路。因?yàn)榫w具有極高的Q值(注三),振蕩器的頻率受到晶體共振頻率的控制,且頻率不隨溫度變化而變。后來,皮爾士和皮爾士-米勒(Pierce-Miller)又發(fā)明一種以后廣被采用的晶體控制振蕩電路。在第二次世界大戰(zhàn)中,大約使用了一千萬個晶體振蕩器,用以建立坦克與坦克之間及地面和飛機(jī)之間的通訊。
現(xiàn)在晶振在生活中廣泛用于通訊產(chǎn)品等電子消費(fèi)類,其優(yōu)點(diǎn)有1.頻率長期穩(wěn)定性極高;2.Q值高,帶寬很窄,有利于選頻;3.體積小,適應(yīng)現(xiàn)在集成工藝要求。
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