石英和液晶如何让手表滴答作响

石英和液晶如何让手表滴答作响

当你低头看手表的时候，你可能不会去想石英和液晶之间有多么不同。你或许也不应该去想——等你把它们之间的差异罗列清楚的时候，你下一个约会可能就要迟到了。不过，虽然石英和液晶甚至都不属于同一种物质状态，但它们有一个重要的共同点：如果没有它们，普通的数字手表或时钟就无法正常工作。

在我们对比它们在手表中的功能之前，先来看看每种物质的一些特性。石英是地球上表面最丰富的矿物之一。石英的化学名称是二氧化硅，它是一种晶体固体，被用作珠宝和砂纸的组成部分。石英晶体也是手机、电视接收器，当然还有手表和时钟等设备中的常见组件。石英被用于众多电子设备的主要原因之一是它具有压电性，这意味着当受到压力时它会产生电荷。石英还表现出逆压电效应：当电荷施加到石英晶体上时，它就会开始振动。正如我们即将看到的，在计时方面，这些特性非常重要。

另一方面，液晶不是一种单一的物质。液晶最早是在19世纪被试图测定胆固醇分子量的科学家发现的，实际上它是一种化合物的分类，构成了物质的第四种状态：液晶中的棒状或板状分子倾向于像液体一样流动，但保持着固体中所见的排列和秩序[来源：Nobelprize.org]。你可能已经注意到，液晶显示器（LCD）在计算机、电视和许多其他技术设备中很常见。这是因为液晶分子具有光学特性，当光线穿过它们时会受到影响。第一块带有液晶显示器的手表出现在1973年[来源：《纽约时报》]。

既然我们已经了解了石英和液晶的不同特性，现在让我们来看看它们在手表中各自是如何发挥作用的。

石英的作用

让我们回顾一下手表或时钟正确工作所需的基本组件：
1. 计时装置，通过传输恒定频率来测量时间长度；
2. 显示器，以我们能理解的方式显示时间；
3. 集成电路，用于存储日期和时间，并与计时装置和显示器进行通信；
4. 电池，为这些元件供电；
5. 电路板，用于容纳和连接所有部件[来源：《探索纳米世界》]。

请记住，我们这里专门讨论的是数字石英手表和时钟。它们不同于必须定期上弦且通常不含石英的机械手表，也不同于使用齿轮带动指针在表盘上转动且通常不含液晶的模拟手表和时钟。

石英起到计时装置的作用。自1969年精工（Seiko）首次将石英晶体引入手表以来，几十年来，石英晶体已成为现代手表制造商的标准配置[来源：精工]。手表中使用的石英以非常高的频率振动。这意味着极高的准确性：石英手表显示的时间在一个月内可能与实际时间仅偏差几秒[来源：隆巴迪（Lombardi）]。此外，由于石英具有压电性，它振动所需的能量非常少，这使得一块碱性电池能够为石英手表持续供电数年。

石英与手表的集成电路协同工作。简而言之，电池向集成电路发送少量电荷，集成电路通过一对微小电极连接到石英振荡器。电路将电流传递给石英振荡器，然后它开始振动。手表中使用的石英振荡器已经标准化为每秒振动32,768次，即频率为32.768千赫兹。集成电路被编程为对振荡器的振动进行计数，并测量时间间隔——秒、分、时等等。在每个时间间隔，电路都会传输一个电脉冲。

那么这个脉冲会去哪里呢？液晶显示器。液晶显示器是如何在数字手表表盘上显示数字的呢？继续往下读就知道了。

标准偏差

虽然手表行业将石英振荡器标准化为每秒振动32,768次，但实际上，根据环境中的温度和压力，振荡器振动的次数会或多或少。虽然手表对于日常使用来说仍然足够准确，但振动次数的增减可能导致每月与实际时间有几秒的偏差[来源：伍德福德（Woodford）]。

液晶的作用

手表上的液晶显示器（LCD）被分为7段或14段区域，用来显示那些我们熟悉的数字。

虽然石英以人类无法察觉的微小瞬间来测量时间的流逝，但液晶以我们容易理解的方式帮助在显示器上描绘时间的流逝。

我们之前提到过，液晶具有光学特性，这使它们成为液晶屏幕（LCD）的理想组件。根据其各自的特性，液晶物质在固体和液体之间的范围内被分类。数字手表液晶屏幕（LCD）上最常用的显示器类型被称为扭曲向列（TN）显示器。这种显示器中构成液晶的分子排列成扭曲的螺旋形状。但是通过施加外力——比如电脉冲——可以使这些化学物质解开扭曲，这会影响穿过它们的光线。

手表上的液晶显示器（LCD）本质上是将液晶化学物质夹在两块导电玻璃板之间，每块板上都附有偏振滤光片，且彼此呈90度定向。液晶分子自然地与偏振滤光片平行排列，使得环境光的照射从位于偏振片下方的镜子反射——这就是液晶显示器呈现银色外观的原因。然而，向液晶施加电荷会改变其分子的取向，使其与偏振滤光片垂直，滤光片就会吸收所有光线，在显示器上留下黑色单元格。

当集成电路在石英振荡器测量的每秒、每分钟、每小时和其他时间间隔后释放那些电脉冲时，它会与液晶显示器（LCD）通信，使液晶显示器（LCD）的部分区域开启和关闭。液晶显示器（LCD）被分为一系列7段或14段区域，每个7段区域可显示数字0到9。这些区域的组合可以显示例如从12:15到12:16，或者1:00到2:00的时间流逝。（由于有更多单元格，14段区域可以显示字母以及数字。）

如你所见，在计时方面，石英和液晶是非常不同的物质，有着非常不同的用途。但是如果没有它们协同工作，我们可能就会经常迟到。

作者注

在我为这个故事做研究期间，最大的惊喜是一个矛盾现象：液晶和石英几乎没有共同之处，但在手表内部，它们相互依赖。我想我以前从未考虑过这个问题，因为我已经多年不戴手表了（只要我有我的iPhone，我可能再也不会戴了）。但现在令人惊讶的是，每当我看到有人戴着石英手表时，时间是由每秒数千次的微小振动决定的；我们能识别时间的向前推移是因为光线穿过滤光片；而这一切都在完全看不见的情况下发生，然而在我们习以为常的一个简单技术设备中却离我们如此之近。这让我想知道我的车库门遥控器里面有什么。

参考来源

彼得·科林斯（Peter Collings），《液晶：物质的微妙相态，第2版》，普林斯顿大学出版社，2002年。
格伦·柯林斯（Glenn Collins），《小指针上的大手》，《纽约时报》，2005年9月29日。（2012年6月27日）http://www.nytimes.com/2005/09/29/nyregion/29watch.html?pagewanted=print
《大英百科全书在线》，《液晶化合物》，（2012年6月29日）http://www.britannica.com/EBchecked/topic/343083/liquid – crystal/51853/Liquid – crystal – compounds
《大英百科全书在线》，《液晶作为光电显示器的用途》，（2012年6月29日）http://www.britannica.com/EBchecked/topic/343083/liquid – crystal/51856/Use – of – liquid – crystals – as – optoelectronic – displays
《探索纳米世界》，《液晶》，2008年。（2012年6月27日）http://mrsec.wisc.edu/Edetc/background/LC/index.html#howto
Geology.com，《石英：矿物用途与特性》，（2012年6月29日）http://geology.com/minerals/quartz.shtml
迈克尔·隆巴迪（Michael Lombardi），《石英手表的准确性和稳定性》，《钟表杂志》，2008年2月。（2012年6月29日）tf.nist.gov/general/pdf/2276.pdf
《纽约时报》，《问答：液晶》，1990年3月6日。（2012年6月30日）http://www.nytimes.com/1990/03/06/science/q – a – 353490.html?src=pm
NobelPrize.org，《液晶的历史与特性》，2003年9月9日。（2012年6月27日）http://www.nobelprize.org/educational/physics/liquid_crystals/history/index.html
精工美国公司（Seiko Corporation of America），《石英》，（2012年6月29日）http://www.seikousa.com/technology/quartz/index.html
克里斯·伍德福德（Chris Woodford），《石英时钟和手表》，ExplainThatStuff，2011年12月17日。（2012年6月27日）http://www.explainthatstuff.com/quartzclockwatch.html