石英晶体的压电效应(Piezoelectric Effect)

石英晶体（Quartz Crystal）材料中的二氧化硅分子二氧化硅（SiO₂） 在正常状态下， 其电偶极是互相平衡的电中性。 二氧化硅是以二维空间呈现的简化图形。

当我们在硅原子上方及氧原子下方分别给予正电场及负电场时， 空间系统为了维持电位平衡， 两个氧原子会相互排斥，在氧原子下方形成一个感应正电场区域， 同时在硅原子上方产生感应负电场区域。 相反的情况， 当我们在硅原子上方及氧原子下方分别给予负电场及正电场时， 两个氧原子会相互靠近， 氧原子下方产生感应负电场，硅原子上方产生感应正电场。然而，氧原子的水平位置变化时， 邻近的另一个氧原子会相对的产生排斥或吸引的力量， 迫使氧原子回到原来的空间位置。 因此， 电场的力量与原子之间的力量会相互牵动， 电场的改变与水平方向的形变是形成交互作用状态。 这个交互作用会形成一个在石英材料耗能最小的振动状态， 只要由电场持续给与能量， 石英材料就会与电场之间维持一个共振的频率。 这个压电效应下氧原子的振幅与电场强度及电场对二氧化硅的向量角度有相对应的关系。在实际的应用上， 电场是由镀在石英芯片上的金属电极产生， 电场与二氧化硅的向量角度则是由石英晶棒的切割角度来决定。

上图展示了石英晶体的压电效应原理，即电场对石英晶体体积的影响机制。

负电场作用：

The volume of quartz will be enlarged when a negative electric field is applied in oxygen side and positive electric field is applied in silicon side。
氧侧施加负电场、硅侧施加正电场时，石英晶体体积增大。

正电场作用：

The volume of quarts will be shrunk when positive electric filed is applied in oxygen side and negative electric field is applied in silicon side。
氧侧施加正电场、硅侧施加负电场时，石英晶体体积减小。

压电效应核心特性

可逆性：

机械应力可产生电荷，电场也可导致晶体形变，二者相互转换。

频率稳定性：

特定切割角度（如AT切、SC切）的石英晶体，频率对温度不敏感或呈现精确的温度-频率特性，是高精度频率控制的基础。

拓展阅读：压电效应(Piezoelectric Effect)

压电效应(Piezoelectric Effect)，包含正、逆两种压电效应，是指某些各向异性的电介质具有的一种机电耦合效应。这种效应在1880年由居里兄弟首先发现。正压电效应，是指介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化，并在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷的效应；逆压电效应，是指在这种电介质的极化方向上施加电场，这些电介质会在电场作用下产生机械形变或应力的现象。两种效应对介质产生的变化都是可逆的，即撤去外力、电场后，其带电状态、形变会随之消失。具有这种效应的材料实现了力-电两种能量之间的转换，在换能器，驱动器及传感器等方面都具有重要的应用。