【Maker 電子學】石英晶體時脈元件的原理與應用 — PART 1

Posted By Liang Bird on 11 月 25, 2020 in Maker電子學, 教學文, 石英晶體時脈元件 | 0 comments

本篇文章介紹時脈元件背後的原理是 — 壓電效應，以及利用壓電效應擁有穩定頻率的元件 — 石英和它的不同切割方式。

石英晶體是現代電子電路中很常用到且不可或缺的元件，凡是需要穩定時脈供應的電路，小到 Arduino 裡面 CPU 的 clock、大到行動通訊基地台中射頻訊號的基礎時脈，都需要像石英晶體或是從它衍生出來的時脈元件，來提供可靠、精準的時脈訊號。

接下來的幾篇文章，我們花一些篇幅來介紹這個看似簡單、學問卻不小的零件。

壓電效應

石英晶體之所以可以拿來做爲時脈元件，背後的原理是一種稱爲「壓電效應」的物理現象。壓電效應由法國物理學家居禮先生 Pierre Curie（就是居禮夫人的老公）和他的弟弟 Jacques Curie 在 1880 年發現。

他們發現在某些材料上施加應力時，材料表面會出現電荷，這種現象稱之爲「正壓電效應」，而如果對這些材料施加電壓，讓材料內部形成電場，材料則會產生對應的變形，這種現象稱之爲「逆壓電效應」。

其實幾乎大部分的人每天都會用到壓電效應。當你旋轉瓦斯爐開關時，它裡面會有一個彈簧被壓縮；當你將它旋轉到點火的位置、聽到「啪」一聲的時候，瓦斯爐裡會有一個撞針利用你剛剛旋轉開關時積蓄在彈簧上的機械能去撞擊一塊壓電材料，它在被撞擊的瞬間會因壓電效應而產生電荷。

雖然電荷量不大，但經由巧妙設計這個壓電材料的形狀，我們可以讓它產生非常高的電壓，而這個電壓經由導線傳送到瓦斯爐爐頭上的點火針，就會在一個很小的間隙上讓空氣電離而產生電弧，點燃與空氣混合的瓦斯。

（圖片來源：Bird 提供）

上圖是一個登山瓦斯爐的點火器結構，這種爐子因為沒有外殼，可以清楚地看到壓電點火器所在的位置。