Kwarc monokrystaliczny

Kwarc używany do produkcji produktów do kontroli częstotliwości jest monokrystaliczny o asymetrycznej formie heksagonalnej.Chemicznie kwarc to dwutlenek krzemu, SiO2 występujący naturalnie jako najbardziej obfity minerał na ziemi, stanowiący około 14% powierzchni Ziemi.

Znaczenie monokrystalicznego kwarcu we współczesnym przemyśle elektronicznym wynika z połączonych właściwości piezoelektryczności, wysokiej stabilności mechanicznej i chemicznej, bardzo wysokiego współczynnika Q w rezonansie oraz nowoczesnych, tanich metod wytwarzania niezwykle wysokich poziomów czystości w materiale syntetycznym.

Kwarc jest obecnie niezbędny jako główny materiał do kontrolowania częstotliwości w sprzęcie elektronicznym i przewyższa go tylko pod względem długoterminowej dokładności podstawowe standardy atomowe, takie jak cez i rubid.

Niemniej jednak niedawny rozwój memów, układów mikroelektromechanicznych i nemów, układów nanoelektromechanicznych, ma zrewolucjonizować rynek kontroli częstotliwości dzięki integracji prostych zegarów z podłożami krzemowymi używanymi do produkcji układów scalonych.

Te miniaturowe urządzenia mogą nieuchronnie zastąpić wszystkie proste zegary, zapewniając dodatkową niezawodność przy niższych kosztach i tam, gdzie wymagana jest minimalna dokładność taktowania.

Dwutlenek krzemu w swojej podstawowej postaci chemicznej nie może być stosowany do regulacji częstotliwości i musi mieć strukturę monokrystaliczną, w której ze względu na swoją asymetryczną formę wykazuje użyteczne właściwości piezoelektryczne.Piezoelektryczność (gr. Piezein „do prasowania”) w kwarcu monokrystalicznym została odkryta przez braci Curie na Sorbonie w Paryżu 1880.

Jednak dopiero w 1917 roku ta właściwość została wykorzystana w praktyce, kiedy profesor Langevin we Francji i AM Nicolson z Western Electric niezależnie zaprojektowali nadajniki-odbiorniki sonaru do wykrywania okrętów podwodnych na morzu.

Później Nicolson złożył szereg patentów na aplikacje wykorzystujące zarówno kwarc, jak i sól Rochelle.Ten ostatni materiał reagował silnie na fale dźwiękowe i bodźce elektryczne i został włączony przez Nicolsona do projektów mikrofonów, głośników i przetworników gramofonowych.Podczas gdy Nicolson zaproponował użycie piezoelektrycznych materiałów do kontrolowania częstotliwości oscylatora lampowego, to dr Walter Cady z Wesleyan University złożył pierwsze patenty na oscylatory sterowane kryształami w 1923 roku.

Mniej więcej w tym czasie prof. GW Pierce z Uniwersytetu Harvarda prowadził dalsze prace nad rozwojem oscylatorów kryształowych.Głównym osiągnięciem Pierce'a było zaprojektowanie oscylatora sterowanego kryształami przy użyciu tylko jednej lampy próżniowej i żadnych obwodów strojonych poza samym kryształem.

Na początku lat dwudziestych rozwój oscylatorów kwarcowych i technologia radiowa rozwijały się równolegle.Głównymi zastosowaniami oscylatorów kwarcowych w tych wczesnych dniach było wykorzystanie jako wzorców czasu i dopiero około 1926 roku oscylatory kryształowe zostały wykorzystane do kontrolowania częstotliwości nadajnika radiowego.Dokonano tego w stacji radiowej WEAF w Nowym Jorku, która była własnością AT i T.

Bell Telephone Labs, który był częścią AT&T i wraz z The Marconi Company w Wielkiej Brytanii i SEL Germany, osiągnął wiele znaczących osiągnięć w technologii kryształów w latach 30-tych.W 1934 roku panowie Lack i Willard z Bell Labs odkryli kryształy AT Cut i BT Cut, które dały przemysłowi komunikacyjnemu znacznie lepsze parametry częstotliwości w stosunku do temperatury.

Udoskonalone techniki uszczelniania i produkcji wraz z odkryciem nowej rodziny cięć z kompensacją naprężeń to jedne z postępów, jakie poczyniono w ciągu ostatniej dekady, wraz z nowszym procesem odwróconej mesy oraz miniaturyzacją kryształów i oscylatorów.

Materiały piezoelektryczne pod wpływem nacisku wykazują ładunek elektryczny związany z kierunkiem i odwrotnie, przyłożenie ładunku elektrycznego powoduje wytworzenie w materiale siły związanej z kierunkiem.Zastosowanie zmiennego pola elektrycznego spowoduje drgania materiału, a następnie mechaniczne rezonanse.Częstotliwość jakiegokolwiek rezonansu mechanicznego zależy od fizycznych wymiarów materiału, „kąta cięcia” w odniesieniu do osi krystalicznej pierwotnego kryształu monokrystalicznego, temperatury otoczenia oraz wszelkich efektów modyfikujących powiązanych elementów mechanicznych lub elektrycznych.

Właściwości skrystalizowanego kwarcu obejmują jego wysoką stabilność chemiczną i mechaniczną oraz niski współczynnik temperaturowy, co skutkuje niewielką zmianą częstotliwości rezonansowej przy każdej zmianie temperatury otoczenia, wraz z bardzo wysoką wartością Q przy rezonansie.Występuje w sposób naturalny i wszystkie wczesne prace eksperymentalne prowadzono przy użyciu naturalnego skrystalizowanego kwarcu.

Jednak naturalnie występujący skrystalizowany kwarc cierpi z powodu wtrąceń zanieczyszczeń, pęcherzyków, pęknięć i bliźniaków, które zmniejszają jego wartość do wykorzystania w kontroli częstotliwości, ponieważ obniżają one współczynnik dobroci.Dlatego powstała produkcja kwarcu syntetycznego w celu wytworzenia czystej postaci kwarcu krystalicznego wolnej od bliźniaczych i zanieczyszczeń.

Syntetyczny kwarc jest wytwarzany w autoklawie z nasyconego roztworu Si O2 w temperaturze około 400°C i pod ciśnieniem 1000 kg/cm2 w celu uzyskania roztworu przesyconego.

Proces wytwarzania kwarcu syntetycznego jest znany jako metoda hydrotermalna, w której przygotowane płytki zarodkowe wstępnie zorientowanego monokrystalicznego kwarcu są zawieszane w nasyconym roztworze i poprzez obniżenie temperatury roztworu uzyskuje się wzrost dużych kryształów w warunkach kontrolowanych laboratoryjnie. minimalizacja zanieczyszczeń i maksymalizacja użytecznej objętości materiału.

Tempo wzrostu materiału syntetycznego jest rzędu 1 mm dziennie lub mniej, aby osiągnąć maksymalną czystość.Rezonatory kwarcowe do stosowania w obwodach elektronicznych są wytwarzane przez cięcie kwarcu krystalicznego na płytki (lub półwyroby), powlekanie elektrodami z każdej strony płytki i umieszczanie rezonatora w odpowiednim uchwycie.Wymiary płytki kwarcowej zasadniczo określają częstotliwość rezonatora, chociaż ma na to również wpływ rozmiar i grubość elektrod oraz związanych z nimi obwodów elektrycznych.

Orientacja płytki „ciętej” względem krystalicznej osi optycznej ma kluczowe znaczenie dla osiągnięcia dokładności częstotliwości rezonansowej i niezbędnego niskiego współczynnika temperaturowego częstotliwości dla końcowego zespołu rezonatora.„Cięcie” wytworzy charakterystyki częstotliwości/temperatury, które są albo drugiego rzędu (kwadratowe), albo trzeciego rzędu (trójskładnikowe), a zatem charakterystyki będą wykazywać pojedyncze lub podwójne punkty obrotu.