本单位完成《2020年压电晶体材料市场现状深度调研与发展前景分析报告》编制工作

  一、技术研发现状

  晶体的压电效应:

  某些晶体,当沿着一定方向受到外力作用时,内部会产生极化现象,使带电质点发生相对位移,从而在晶体表面上产生大小相等符号相反的电荷;当外力去掉后,又恢复到不带电状态。晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫压电效应。反之,如对晶体施加电场,晶体将在一定方向上产生机械变形;当外加电场撤去后,该变形也随之消失。这种现象称为逆压电效应,也称作电致伸缩效应。

  我国压电晶体材料原始创新能力不足,材料研究以跟踪研仿为主,缺乏不同学科之间的深层次交流和原创性的理论研究,具有自主知识产权的技术较少,无法从源头上支撑材料的发展。成熟产品集中于低档领域,产品附加值低、利润有限,高端产品依赖进口,不利于材料生产企业扩大再生产和科技投入,这在很大程度上制约了压电晶体材料产业的跨越式发展。

  二、新技术应用

  1、提高单产率,基片大尺寸化。为了提高生产效率,降低成本,人造石英晶体自1960年开始工业化生产以来,高压釜的尺寸逐渐增大。目前,世界上最大的高压釜尺寸为内径650mm,深14m。高压釜的增大,不仅有利于经济效益提高,也由于它的大的热容量,可防止由于高压釜外部(大气)的温度变化引起的温度波动。

  基片的大尺寸化不但有利于提高生产效率,还有利于自动化生产。用直径3英寸基片制作器件的产率是2英寸基片的2.2倍,而4英寸为3英寸的1.7倍。国外3英寸的石英晶体、铌酸锂和钽酸锂基片早已商品化。1984年日本东芝公司配制出了∅100mm的担酸锉基片,解决了基片加工问题,晶体内组分变化在±0.2%,SAW速度变化在±0.04%以内。1988年,美国晶体技术公司生产出了5英寸的光学级妮酸锂单晶,用于SAW器件和光波导器件。1987年,四硼酸锉晶体的直径达50-76.2mm,位错密度小于3000/cm2,晶体之间基片谐振频率偏差310PPM。日本东洋大学工学部与大仓电气合作,用水平布里奇曼法育成了可用于SAW器件的四硼酸锂单晶,其成本为提拉法的1/5~1/10,使其价格达到了SAW器件用量最大的妮酸锂单晶的水平。1993年,日本日矿共石成功地开发了直径4英寸、长100mm的大单晶。

  2、生长高纯高质量的压电晶体材料。高纯高质量的人造石英晶体的标准是:品质因数达到380万;包裹体密度10~30μm的3个/cm3,30~70μm的2个/cm3,70~100μm的1个/cm3,大于100μm的1个/cm3;腐蚀隧道密度小于10个/cm2;铝含量低于1PPM。

  人造石英晶体的主要缺陷是包裹体和腐蚀隧道,它们的成因是铁、钠、锉、铝等杂质的存在,尤以铝杂质危害最大。生长高纯高质量的石英晶体,需要使用高纯的原料和无位错的籽晶,并以较慢的速度生长。在高温直流电场下对石英晶棒和晶片进行电清洗,能有效地减少腐蚀隧道密度。美国Motorola公司用+x区切取的籽晶生长晶体,其腐蚀隧道密度小于50/cm2,用电清洗方法处理晶体,腐蚀隧道密度小于40/cm2;两种方法结合使用,腐蚀隧道密度可小于1/cm2。

  铌酸锂等晶体中的主要缺陷是包裹物、位错和亚晶界,这些缺陷对SAW器件,特别是对高频SAW器件有十分有害的影响。要减少这些缺陷,除使用高纯原料和优质籽晶外,还要严格控制原料配比和晶体生长工艺参数。

  3、提高人造石英晶体的耐辐射性能。随着空间技术和核能工程的发展,要求人造石英晶体具有耐辐射性能。实验表明,石英晶体经辐射后,由于铝杂质的存在,在铝杂质周围的晶格发生了变化,导致弹性常数和频率也随之发生变化。为了提高石英晶体的耐辐射性能,除了使用含铝少的原料生长高纯晶体外,采用电清洗技术,能排除钠、锂等杂质,使腐蚀隧道密度降低,晶体的结构更趋完善,石英晶体的耐辐射性能大大提高。

  4、采用复合层结构。为了制作高频SAW器件,一般都是采用高声速和大机电祸合系数的基片材料,以避免采用亚微米精细微电极制作上的困难。在妮酸锂基片上沉积SiO2薄膜,发现了128°y切妮酸锂的新应用的可能性。当薄膜厚度为0.2λ(双波长)时,SAW实际上没有色散,一阶温度系数为零,祸合系数大于10%,适用于相对带宽小于5~10%,插入衰耗较小以及温度稳定性好的滤波器。

  在蓝宝石基片上沉积ZnO2或AIN压电薄膜构成的层状结构,都是用作SAW器件较理想的材料。蓝宝石上沉积ZnO2结构,SAW速度达5500m/s,延迟温度系数为-30PPM/C,祸合系数为3。5%。蓝宝石上沉积AIN的结构,显示出高的SAW速度(达5700m/s)和低的色散,延迟温度系数很小(12。0PPM/C)。由于AIN具有负的延迟温度系数,适当厚度的AIN膜可以抵消蓝宝石的一阶温度系数,延迟温度系数随波数和AIN膜厚度的增加而降低,在一定的数值下,可获得零延迟温度系数。

  5)继续探索新型的高稳定高耦合的所谓温度补偿材料,对已开发出来的一系列新材料,要增加晶体的尺寸,解决基片加工问题,尽快商品化,并开拓在微波声学器件中的应用。

  三、技术发展趋势

  (1)产品向高频、高稳定度、微小型化、片式化方向发展,包装向编带化过渡。

  (2)生产上要向规模化和专业化方向发展。

  (3)工艺要精细化,环境“绿色”化发展。

  (4)水晶材料向高品质、高纯度、低腐隧道密度、抗辐射方向发展。

  根据杭州先略投资咨询有限公司发布的《2020年压电晶体材料市场现状深度调研与发展前景分析报告》数据显示:2014年中国压电晶体材料资产规模为10.11亿元,2018年为14.92亿元,同比2017年增长8.64%。

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  根据杭州先略投资咨询有限公司发布的《2020年压电晶体材料市场现状深度调研与发展前景分析报告》数据显示:2014年中国压电晶体材料市场规模为6.95亿元,2018年为10.17亿元,同比2017年增长7.98%。

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  近年来5G通信技术快速发展,国内相关企业技术进步迅速,逐步占据市场主导地位,有利于市场的快速打开和成熟。5G技术不但可以进一步提高上网速度,还为最终的万物互联提供了一个统一的架构。

  在光通信领域,基于铌酸锂材料(LN)的超高速、大带宽、可扩展性等特性,可制作光开关、隔离器、电光调制器等微型集成光器件。光器件作为光通信发展的重要基础和核心,在光设备中占比20%以上,可预见压电晶体材料在未来数据中心的应用乃至万物互联的实现中将发挥重要作用。



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