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責任與文化

小料科普 | 多彩的人工晶體系列——石英晶體

來源:中材高新  發布時間:2020-08-03

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人類早期對水晶的認識

提到石英晶體,大家或許更習慣稱之為水晶,其主要成分是二氧化硅(SiO2)。眾所周知,地殼中蘊含最豐富的兩種元素就是氧(O)和硅(Si),地球在漫長的46億年生命中,由于內部應力釋放產生的諸如地震、火山等各種地質作用,部分硅的氧化物在溫度和壓力的作用下沉積結晶,形成水晶礦。純的水晶無色透明,很多天然水晶由于摻入了鐵、鋁、鈷、鈦等元素,呈現出各種各樣的美麗顏色。

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多彩的水晶

早在距今2.8萬年前的山西峙峪遺址,出土過一件水晶制作的小石刀和一件由一面穿孔而成的石器裝飾品;距今8000年前紅山文化遺址中,除了水晶鑿、斧等工具外,還有水晶珠子、耳墜等物品。自春秋戰國時期開始,天然水晶作為寶石被賦予尊貴、吉祥、純潔等意義,各朝各代王公貴族把水晶制成各種飾物和擺件。

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水晶飾物和擺件

石英晶體的工業化進程和應用

1880年,法國人居里兄弟發現了壓電效應。1917年,皮埃爾居里(Pierre Curie)的學生、法國科學家朗之萬(Langevin)利用水晶的壓電效應,制造了超聲波探測儀,軍事上用于探測潛水艇,拉開了石英晶體工業應用研究序幕。第二次世界大戰中,石英晶體元件大量用于軍事無線電通訊設備,成為重要的戰略物資。

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 Pierre Curie和壓電效應

優質天然水晶資源稀缺,并富含多種雜質,嚴重影響元器件性能,人造石英晶體的研究成為必然。事實上,最早期的人工培育開始于19世紀中葉,K.Schsfthaul為了研究地球內部成礦機理,首次使用水熱法合成了石英微晶。二戰后,英、美、蘇、日和中國先后建立起人造石英晶體研究和生產機構,人造石英晶體伴隨電子產業飛速發展。

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 天然石英礦和人造光學石英晶體

石英晶體具有很高的品質因數(Q值)和良好的溫度頻率穩定性,可制作選擇、控制頻率的晶振元件,憑借一只小小的石英晶振,就可以實現時間的精確控制。石英晶體濾波器是高端通訊器材的核心元器件,可以從嘈雜的無線電干擾信號中選擇出微弱的有用信號。

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石英元件及其在主板上(無線接入點)的應用

圖中黃色為芯片、紅色為石英晶振

在信息化時代,一切數字化設備都是按照“節拍”工作的,石英晶振提供的準確時鐘信號,正是這一切的基礎。從高科技的航空航天,到遍布全社會的各種自動化設備,再到每個家庭的各種電子產品中,都有一個或多個晶振在默默無聞地工作著。

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石英晶體的應用

石英晶體還具有透光范圍寬(170nm-2500nm)、光學均勻性好、透過率高等優異的光學特性,可制作紫外窗口、光學波片、旋光片、光學低通濾波片等光學元件,廣泛應用于高清攝像、光學儀器和光纖通訊等領域。

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光學低通濾波片(OLPF)

中國建材人造石英晶體的發展

中國建材集團所屬中材人工晶體研究院是國內最早一批開展人造石英晶體研究的單位,是我國第一塊人造石英晶體的誕生地。晶體院利用國庫優質天然水晶作為晶種,模擬天然水晶成礦機理,研究和開發了具有自主知識產權的石英晶體生長工藝。

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 優質天然晶種和獲獎證書  

晶體院承擔了多個國家軍工配套項目、國家自然科學基金重點項目、科技部高技術產業化項目等一大批重要研究課題,為國家重大工程、裝備提供了高品質的石英晶體。先后獲得了國家科學技術進步獎二等獎、制修訂多項國標和國軍標,形成了大尺寸、高品質、耐輻照和品種全等特點的四大類高品質人造石英晶體:

四大類人造石英晶體

1. 面向航空航天領域通訊模塊的耐輻照石英晶體。

2. 面向5G、人工智能領域的小型、高頻、高精、高穩、低損耗晶振元件的低腐蝕隧道密度石英晶體。

3. 面向光纖通訊、高精密儀器的光學系統領域高透過率、高均勻性光學石英晶體。

4. 面向特殊領域的大尺寸、高功率激光窗口的大尺寸光學石英晶體。

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 人工晶體研究院石英晶體產品

隨著我國新基建布局的快速展開,電子元件向著小型、高頻、高精、高穩、低功耗方向快速發展,高純度、低缺陷的石英晶體將迎來新的更大的發展機遇,人們的物質文化生活也將因它而變得更加美好。

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