互动科普

执著的石英

石英晶体的特定切型拥有很高的频率稳定性，钟表和各种电器基本都是利用石英晶体的逆压电性（如果石英受到电压刺激，就会产生一定的机械应力和形变），而在传感器上大多是利用正压电性（当石英受到机械压力发生形变，晶体内部的电荷分布就会改变，产生一个电压）。

灵敏的传感器

20世纪60年代，石英钟表开始流行，同时，人们也开始利用石英晶体的压电特性制造重量传感器，这也是石英晶体主要的应用方向之一。不过，普通人的一生中可能拥有十几只石英表，却从来也没见过这种仪器，因为只有研究所和个别行业才需要这种可以精确到纳克（十亿分之一克）的“天平”。

到1964年，人们才发现，其实这种“测重仪”离普通人的生活并不远。当时，小威廉姆·金（William H. King, Jr.）还在美国埃克森石油公司旗下的埃克森研究和工程公司任职。他在美国《分析化学》杂志上发表文章，报道了当时石英晶体微天平（Quartz Crystal Microbalance，QCM）的进展（不过，当时还没有提出这个名称）。实际上，只要根据需要，为石英晶体镀上不同的涂层，就能有选择性地吸附被测气体分子，从而测量气体中某一成分的浓度。小威廉姆·金宣称，只要这一成分的浓度达到0.1ppm（浓度单位，代表百万分之一），在他们的传感器面前就无所遁形。最初埃克森公司大概是为了检测易燃易爆气体才发起这项研究的，因为小威廉姆·金特别提到，他们的发明能从碳氢气体中检测到二甲苯（在石油公司里比较常见，与空气混合后容易引起爆炸）。

QCM的原理要追溯到德国科学家乔治·沙布雷（George Sauerbrey）1959年的发现。沙布雷提出，如果在晶体的表面上镀一层膜，晶体的振动频率就会改变，而且薄膜的厚度和密度能决定晶体振动频率的减少量，他还列出了石英晶体振动频率与薄膜厚度和密度的关系，也就是“沙布雷公式”。

到1983年，美国化学传感器专家吉尔鲍特（G.G.Guilbault）在石英晶体上涂了薄薄一层甲醛脱氢酶，测试空气中的甲醛含量（甲醛是装修中常见的有毒气体，对人体，尤其是对小孩和孕妇的危害特别大）。吉尔鲍特一向钟情于石英晶体，一直尝试着用石英晶片来测试各种气相、液相。在此之前的气相分析中，传感器的表面本来没有尝试过固定生物活性材料，在此之后，QCM与生物传感器有了联系。

相比气体，液体的密度更大，振动的阻力也更大，所以石英晶体很难实现压电谐振，所以刚开始时，QCM大多用于检测气相。虽然小威廉姆·金雄心勃勃，想把QCM用在液相测试上，但直到1980年－1982年间，经过日本信州大学的野村俊明和美国科纳什独立又相辅相成的研究，才成功地让石英晶体在液相中完成谐振。20世纪80年代中期，QCM发展为电化学石英晶体微天平(EQCM)，这样既能获得电化学信息，又能得到质量信息。而最近的研究表明，当液体膜足够薄（如在纳米量级），也有可能实现较好的谐振，所以以后可能会用石英晶体来制作纳米传感器。

EQCM的发展只能用“日新月异”来形容，在石英表面固定不同的涂层或生物活性材料，功能就完全不同。EQCM现在主攻生物化学领域，不仅应用于简单的浓度测定，而且深入到反应机理、化学反应动力学等方面的研究。利用EQCM，能够监测饭菜中的葡萄球菌肠毒素是否超标，避免食物中毒，以后还可能会制造出能够品尝五味的人工舌头，倾听音乐的人工耳朵……过去只用于学术研究中的精密传感器，往后会更贴近我们的日常生活。

从电子元件到打印机

你可以没见过QCM，没接触过声纳，但你家里的石英晶体肯定不止10块：彩电、VCD、汽车、收音机多少都装有石英晶振，每部电话里通常有3种石英晶体产品，个人电脑、打印机、宽带设备也不例外，基本上，所有数字产品都需要它。现在应用最广的应该是石英晶振，作为电器内的振荡源，一丝不苟的振荡频率为电器其他控件提供频率标准，让需要协调动作的各个器件趋于同步。

日本是全世界石英元件最大的供应国，在技术上比较成熟。提到这一点，就要说到当年掀起石英表普及革命的日本精工集团。也许是因为石英表在精工历史上的独特地位，所以精工爱普生也怀着这样的情结，似乎总是在想，如何挖掘石英晶体的潜能，而石英晶体的表现也没有让他们失望过。

爱普生是微压电打印技术的创始人（目前还有其他几家制造商也在采用这种技术）。原理其实并不复杂：打印机通过发送电脉冲信号，控制压电陶瓷的形变，把墨水挤出喷嘴，还能保证喷嘴口的液面稳定，不至于在挤压前后，溅出一些不必要的墨点，而且不需要加热，就不用担心打印的材料会发生化学变化，影响原有功效，因此，可以将打印的墨水换成液态的功能材料，比如说金属、陶瓷和其他半导体材料，将纸张、布匹换成各种电路板，直接按照需要的电路图来打印，实际上就完成了为电子元件布线的功能。2004年，爱普生用这种技术制造出世界上第一块20层层压电路基板：用含银微粒子的材料打印电路，然后喷一层绝缘层，再打印电路——如此循环往复，20层加起来也没有超过200微米厚。

对LCD投影仪而言，石英也是很重要的原料。现在的LCD投影仪所用的液晶面板可以采用HTPS（High Temperature Poly-Silicon，高温多晶硅）。在面板的制造过程中，需要高温退火，温度超过1000℃。普通玻璃无法承受，只有石英玻璃做成的基板才能胜任。虽然石英玻璃比普通玻璃的价格高，但是，制造液晶面板的工艺更轻松，更便于把握。2005年4月，爱普生还利用喷墨打印的方法喷涂“高温多晶硅TFT液晶面板”所需的定向膜。液晶分子本来是夹在两层玻璃之间的，而玻璃的内侧面都镀有定向膜。在此之前，定向膜是一层层附上去，仔细打磨，把液晶分子都夹在其中，定向膜能让液晶分子按一定的方向排列，不过现在可以直接打印，进一步降低定向膜的厚度，让液晶反应更迅速。另外，液晶显示屏的彩色滤光膜也可以打印。

随着基于数字技术的智能系统和工具的快速发展，石英晶体的应用还在不断开辟新的领域，虽然原子钟的诞生已经挤掉了石英钟在天文台的位置，新一代的振荡器已经在后面追赶，但可以肯定我们未来的数字生活，石英晶体绝不会缺席。