压电石英晶体简介
孟令生
压电石英晶体是指在人为控制的理想环境中人工合成的石英晶体，也称为“养晶”、“压电水晶”、“人造水晶”。
人造水晶的历史
某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。1880年，法国的皮埃尔·居里（居里夫人的丈夫）与他哥哥雅克·保罗发现了石英晶体（即水晶）的压电效应。
水晶压电效应的发现为其工业应用奠定了基础。第一次世界大战期间，水晶的压电效应已经得到应用，目前水晶的压电效应在通信、电子及军事方面的应用十分广泛。但天然水晶储量有限，符合工业需求的压电水晶更为稀少，人们便开始探索用人工合成的办法获得高品质的压电水晶。
1845年，斯卡福特成功制造了世界上第一块较小的人造水晶。1905年意大利学者用水热温差法制造出人造水晶。1960年美国西方电气公司建立了第一个人造水晶工厂，人造水晶进入工业化生产阶段。现在用水热温差法培育的人造水晶，质量已经可以和天然水晶相媲美，其理化指标甚至超过天然水晶，满足了电子产品的技术要求。人造水晶进入工业化生产要归功于高压釜（圆筒状压力容器，上部采用可拆卸结构，从下部装填水晶或石英原料，内部压强可达1000多个大气压）的发明，正是高压釜的出现使得人造水晶得以大批量生产。1973年，高压釜的最大容量已经达到一立方米以上。现在最大的高压釜高约14m，内径650mm，重约100吨，一次可制造重2kg的人造水晶约1300颗。
人造水晶的生产
工业上生产人造水晶一般采用水热温差法，通过高压釜创造高温、高压环境，使水晶或石英溶解后结晶制成。高压釜下部为溶解区，上部为结晶区，中间以设有对流孔的隔离板隔开（通常有三道隔离板，根据各区域结晶速度的不同生产各种规格的压电水晶板材、压电水晶棒等）。生产时，在溶解区放入作为培养体的天然水晶或天然石英石，在结晶区将籽晶（事先切割好的水晶片或水晶棒，相当于水晶晶芽）悬挂于籽晶架上，高压釜内填充一定浓度的溶剂介质（一般采用NaOH溶液），上、下部保持一定的温差（结晶区为325—350℃，溶解区为360—380℃），内部压强在1000个大气压以上（视高压釜性能而定），温差产生的溶液对流将培养区的饱和溶液带到籽晶
区形成过饱和溶液而结晶。通过冷却析出部分溶质后的溶液又流向下部，溶解石英培
养体。如此循环往复，使籽晶得以连续不断地长大。
这种条件下水晶的生长速度大约是每天0.8mm。一般，工业用途的人造水晶，其厚度大约3cm左右，需要40天左右的时间来生长，若要供作珠宝业来磨成十公分(100mm) 以上的水晶球，通常约需120～180天的时间生长。当然，这都是在人为控制下最理想的环境中，才可能有这种速度，在自然界中，因为原料、水质、温度、压力等条件一直在变化当中，很难得达到理想状况，通常都需要数万倍、或是数百万倍的时间，才能长成相同质量的水晶，这也是为什么“地质年龄”动辄以“百万年”为计算基数，也是天然水晶之所以珍贵之处。
人造水晶的应用
工业生产的人造水晶主要用于制造谐振器、滤波器等晶体元器件，广泛用于超音速飞机、导弹、核武器、自动武器、电子显微镜、电子计算机、电子通讯设备、人造地球卫星等领域，起到导航、遥控、遥测、信号传输等作用。部分人造水晶用于光学领域，主要生产透镜、棱镜、摄谱仪、光谱仪、红外线分析窗口、石英折射计等光学元件或光学仪器。少数人造水晶被制成工艺品、珠宝饰品、水晶眼镜片等。
下面的例子可以说明人造水晶在军事上的重要作用:
1、米-28H型直升机装备有用水晶制成地紫外线瞄准系统，能从漆黑的夜空中搜寻目标并进行精确打击。
2、二次大战期间，德国潜艇神出鬼没，法国将水晶片接在交流电上，发出超生波，
制成超声波探测仪，可测得德国潜艇的准确位置进行精确打击。
3、用水晶制成嗅觉传感器，可感知数万种气味，在防毒防火等多方面具有重要作用。
4、侵朝战争中，美国每年耗用人造水晶150多吨。苏联卫国战争中，人造水晶供不应求，博物馆中的水晶工艺品大量被用来切割制成军工用品。
东海的压电石英晶体产业
东海是压电石英晶体产业的聚集区。目前共有石英晶体企业19家，年产压电石英晶体50吨、晶体切片10亿多片、晶体元器件6亿多只，初步建成石英晶体板材生产—石英晶体切片——石英晶体元器件组装的产业链条。县内企业从美国、德国、日本引进先进的制造和检验设备，按照国际标准进行生产和检验，通过了ISO9001国际质量认证和ISO14001国际环境认证，可生产高Q值、低腐蚀隧道密度、高纯压电水晶以及49U、49S、SMD等12大系列几千个规格型号的高稳定频率晶片、石英振荡器、石英谐振器产品，技术达到国际同类产品水平。在天宇晶体材料有限公司、济源晶体材
料有限公司等龙头企业带动下，企业积极承担国家和省科技攻关项目，手提电脑用49S-12兆赫晶振被认定为国家重点新产品、省高新技术产品，新型SMD频率片被列入国家火炬计划，低腐蚀隧道SMD晶体元器件用压电石英晶体通过了ISO9001质量体系认证，达到美国摩托罗拉公司、日本珠式会社等国际公司的质量要求，被列入国家星火计划。