压电晶体是一类重要的电子功能材料，也是信息领域中的重点基础材料之一。压电晶体是信息科学与材料科学两个学科交叉的产物，已成为信息领域中多个新型学科发展的材料基础。用压电晶体制成的各类电子器件具有对信息的采集、传递、转换、处理、显示、执行及对抗等功能。现在压电晶体已成为材料科学的发展前沿之一，也是发展我国现代高科技的关键和核心内容之一。

    自1880年P·居里和J·居里兄弟在天然石英（α—SiO2）晶体（压电水晶）上发现压电效应后，已研究并进行测量的压电晶体已达近千种，但具有广泛应用价值的只有为数不多的几种，主要品种包括α—SiO2（石英）、LiNbO3(铌酸锂)、LiTaO3(钽酸锂)、Bi12SiO2(硅酸铋)、La3Ga5SiO14(硅酸镓镧)等晶体。目前在信息产业领域已经广泛使用并形成产业的压电晶体材料主要有3种：石英（SiO2）晶体、铌酸锂（LiNbO3）晶体和钽酸锂（LiTaO3）晶体。

    压电晶体的应用首先是声体波（BAW）领域。早在1916年就用石英（α—SiO2）晶体制作成水下发射/接收换能器，并利用其采用回波法探测沉船和海底。1921年相继研制成功石英谐振器和滤波器，开创了压电晶体在频率控制和通讯方面的应用。第二次世界大战开始后，作为战略性物资的天然石英（α—SiO2）晶体（天然压电水晶）来源紧缺，推动了人造石英（α—SiO2）晶体（人造压电水晶）的研制合成工作。人造压电水晶（人造石英晶体）是以熔炼水晶为原料用人工方法创造高温、高压、水热温差条件，让SiO2蒸发到籽晶上再新结晶出来的水晶。20世纪50年代以后，人造石英晶体（人造压电水晶）开始工业化生产。

    1.国内外现状

    1.1国内现状

    1、技术水平  从硬件基础来看，我国压电水晶工艺装备相当于国外20世纪70—80年代水平。由于装备落后，影响了压电水晶技术水平的提高。从产品技术水平来看，国外对压电水晶产品的缺陷控制已从宏观进入微观阶段，而我国仍外于宏观控制阶段。

    2、品种系列  基础理论研究及检测技术的滞后，影响了我国压电水晶的研制开发及创新能力。在产品系列方面，特别是超长度、大直径发展方向上，因硬件落后差距较大，国外压电水晶产品以直径76mm—100mm为主，国内压电水晶产品还以直径50mm为主，不能满足信息产品的需求。

    3、投资情况  一是总体重视不够，投入不足；二是投入分散，部门管理与项目管理并存，造成低水平的重复建设，导致我国压电水晶的低水平产品过剩，市场竞争激烈，而高技术产品则需要进口的局面。

    4、研究开发水平  （1）人造压电水晶（α—SiO2）晶体直径50mm—76mm；（2）人造压电水晶宏观质量：毫米级包裹体向微米级包裹体过渡，微观质量：位错密度104cm2—105 cm2 、小角度晶界≥15ˊ。

    5、应用现状  石英（α—SiO2）晶体材料的应用主体是BAW（声体波）。由于石英晶体的机电耦合系数小、插损大，石英（α—SiO2）晶体在SAW（声表面波）领域主要应用在稳定性要求很高的窄带器件上，使用量较小。目前国内生产的压电水晶（α—SiO2）晶体材料大部分属中低档产品，主要用于生产中低档BAW（声体波）器件，器件应用以钟表、彩色电视机、玩具及其他消费类电子产品为主。而用于SMD表面贴装压电石英晶体的低、超低腐蚀隧道密度（≤100条/cm2、≤30条/c m2、≤10条/ cm2）压电石英晶体材料不足百吨，国内现有的5条SMD表面贴装压电石英晶体生产线所有的优质（低、超低腐蚀隧道密度）压电晶体材料仍有大部分需从国外进口。

    1.2.国外现状

    国外压电晶体发展已进入由经验积累模式阶段向材料科学模式阶段的转变过程，不仅缩短了新材料的研制开发周期，还提高了材料的产品质量。同时，随着设备自动化水平的提高，从根本上改变了手工作坊式的材料生产方式，提高了产品质量的一致性、可靠性及实用化水平。

    1、研制开发水平  （1）人造压电水晶（α—SiO2）晶体：直径76—100mm；（2）人造压电水晶宏观质量：微米级包裹体、微观质量小角度晶界≤5ˊ。

    2、应用现状  国外石英（α—SiO2）晶体材料的应用主体是BAW（声体波）器件，在SAW（声表面波）器件领域的应用比例也比较小。发达国家已将中低档石英晶体元器件的生产转移到发展中国家，主要生产中高档石英晶体材料及器件，其应用主体已转向通信、计算机、医疗电子设备、汽车电子、广播电视、导航设备、仪器仪表等。

    2.生产现状

    2000年，全球石英（α—SiO2）晶体年产量估计为6000—8000吨，年生产石英晶体器件50—60亿只。

    2000年，我国石英（α—SiO2）晶体材料的年产量达1600吨（生产厂家80多个）左右，其中优质石英（α—SiO2）晶体材料约100吨（东海县晶体材料厂年产量达50吨，兵器集团总公司中原特钢水晶厂约50吨），年生产中、低档石英晶体器件为5亿左右，其中约50%器件产品用于出口，而国内使用的高档石英（α—SiO2）晶体材料及其BAW（声体波）器件产品则主要依赖进口。由于生产厂家规模小、分散性大、生产装备落后、产品档次低，我国仅是石英（α—SiO2）晶体材料生产大国（世界第三位），而不是生产强国。

    3.人造石英（α—SiO2）晶体的生产工艺

    人造石英（α—SiO2）晶体是采用水热温差结晶法，在高压釜内进行生产的，用天然熔炼水晶放在高压釜的较热底部进行培养，籽晶体悬挂在温度较低的上部，高压釜内填充一定浓度一定数量的碱溶液，高压釜内保持设定温差使上下部溶液之间产生对流，这样将底部饱和溶液带到上部，形成过饱和而依附在籽晶体上重新结晶。过饱和度取决于高压釜内溶解区、生产区之间温差以及物质溶解度的温度系数，过饱和度与高压釜内温度有关，通过籽晶上的过饱和溶液，析晶后又流向下部，如此循环，结晶得以连续不断地长大，使之达到预期效果。
   
    去离子水→溶解配制NaOH→培养体处理→籽晶组袋、熔炼水晶清洗→装釜→温控→生长期→开釜→人造石英（α—SiO2）晶体处理→晶体检验入库

    4. 国内外发展趋势

    压电材料的研究正在从早期的经验积累模式研究阶段（第一阶段）逐步形成自己的学科——材料科学模式研究阶段（第二阶段）。压电晶体宏观性能与微观结构关系的研究，特别是矩阵理论的引入，对材料压电性能的定性预测发挥了重要作用。随着未来材料科学的不断发展，将从材料科学阶段进入分子剪裁与设计阶段（第三阶段），从而不仅可以对压电性能进行定量计算，而且为了改善材料压电性能还可以对功能基因进行裁剪设计。

    从压电晶体与信息技术领域的发展关系考虑，随着信息领域科技的快速发展，对SAW（声表面波）技术及BAW（声体波）技术在以下性能特征方面提出了迫切的发展要求：1、高频率、大带宽；2、高稳定、低插损；3、大时间带宽积、高位抽头；4、复合功能。

    半导体技术，特别是亚微米技术的快速发展为SAW（声表面波）技术及BAW（声体波）技术的上述发展奠定了良好基础。而SAW技术及BAW技术的发展必然对压电晶体材料提出以下同步发展要求：1、性能优异新品种；2、大尺寸；3、结构完美；4、复合功能。

    5.市场需求与发展要求

    5.1.世界市场  据有关资料测算预计视频机用SAW滤波器产量将从1997年的2.85亿只，增加到2002年的3.4亿只，移动通信用SAW滤波器产量将从1997年的3.26亿只增加到2002年的10.4亿只，移动通信用压控振荡器产量将从1997年4.8亿只增加到2002年的8.9亿只。

    2、国内市场  “十五”期间，我国石英（α—SiO2）晶体（人造压电水晶）器件的应用领域仍以钟表、计算机和家电为主。随着信息产业的发展，通信、网络产品、汽车电子、全球定位仪（GPS）、数字相机、DVD视盘机等产品对BAW器件的需求将有较大增长，特别是随着手机国产化进程的加快，对高基频BAW器件提出了迫切需求。“十五”期间石英（α—SiO2）晶体材料产业的重点是提高质量和提高SMD贴面晶体用低、超低腐蚀隧道密度压电石英（α—SiO2）晶体材料的产量。预计“十五”期间压电石英晶体产量可达2000吨左右，BAW器件年产量可达20—25亿只。

    “十五”期间，随着我国移动通信巨大市场的形成和手机国产化步伐的加快，我国石英（α—SiO2）晶体生产的SAW器件的最大应用领域将从电视占主体转变为以通信产品为主体。第一，由于每部手机至少采用两只以上SAW滤波器，对高频（900MHz/1800MHz），SAW器件将迅速增长；第二，无线接入系统对农村电话的普及更为经济，为SAW器件提供了巨大的应用市场；第三，随着因特网的迅速发展，多媒体宽带数据网络必然是未来网络发展的趋势，由于这类网络系统的应用对象为个人用户，对SAW器件的需求很大。所以“十五”期间SAW器件对石英（α—SiO2）晶体材料的需求将有较大增长，预计每年将达50—100吨。压电晶体产品将以满足高频器件的高质量晶体为主体，SAW器件年产量将达到8千万——1亿只。

    5.2.发展要求

    以手机国产化为现实重点目标，兼顾宽带网络及无线接入系统的发展，重点发展无宏观缺陷、低微观缺陷的高等级石英（α—SiO2）晶体，组建压电晶体研究开发中心和生产基地，形成一个高水平、可持续发展并具备国际市场竞争力的研制和生产体系。

    1、发展目标  我国在“十五”期间将攻克无宏观缺陷、低微观缺陷压电晶体的生长及精密加工技术。以手机国产化所需的900MHz/1800MHz高频SAW滤波器为重点需求目标，完成大尺寸、高均匀性、高完整性的石英（α—SiO2）压电晶体材料的研制与产业化过程。

    2、关键技术  （1）大尺寸、高均匀、低位错、低小角度晶体生长技术；（2）计算机闭环自动控制生长技术；（3）高精密晶片加工技术；（4）晶体材料性能与质量测试分析技术。

    3、研究重点  在“十五”期间，主要以高频SAW（声表面波）及BAW（声体波）器件为发展目标，对人造压电水晶等压电晶体开展以下方面的研究：（1）缺陷/工艺条件（热力学、动力学）关系的基础性研究，变被动工艺设计为主动的工艺优化设计，缩短压电晶体研制周期，减小晶体质量的随机波动，为高频SAW器件所采用的亚微米波技术提供合格的低缺陷压电晶体材料；（2）精加工技术的工艺性研究，为SAW及BAW器件高频化提供高档次、低成本的精密加工压电晶体材料，加快高档次压电晶体产品的产业化进程；（3）新一代生长、加工及检测设备的研制，缩小我国压电晶体材料工艺、仪器、设备技术水平与国外的差距，为高档次压电晶体材料产业化奠定基础。