KRYSZTAŁ KWARCOWY, MATERIAŁ ROZRZĄDU

KRYSZTAŁ KWARCOWY, MATERIAŁ ROZRZĄDU

1. Wstęp

Kwarc jest materiałem piezoelektrycznym.Cienki wafel kwarcowy z elektrodami przymocowanymi do przeciwległych powierzchni wibruje mechanicznie po przyłożeniu napięcia do dwóch elektrod.Częstotliwość wibracji jest przede wszystkim funkcją wymiarów wafla.Wafle, zwane rezonatorami kryształowymi, gdy są odpowiednio zamontowane z przymocowanymi elektrodami, od dawna są używane do sterowania częstotliwością nadajników radiowych i są podstawowym elementem sprzętu telekomunikacyjnego, gdzie ich właściwości piezoelektryczne są wykorzystywane w filtrach, oscylatorach i innych urządzeniach.Teraz kryształy kwarcu mierzą i koordynują sygnały dla mikroprocesorów, komputerów, sterowników programowalnych, zegarków i innego sprzętu cyfrowego, takiego jak różne DSP.

Kwarc to krystaliczna forma dwutlenku krzemu (SiO₂).Jest to twardy, kruchy, przezroczysty materiał o gęstości 2649 kg/m³i temperatura topnienia 1750°C. Kwarc jest nierozpuszczalny w zwykłych kwasach, ale rozpuszczalny w kwasie fluorowodorowym i gorących zasadach.Gdy kwarc jest podgrzewany do 573°C, zmienia się jego postać krystaliczna.Stabilna postać powyżej tej temperatury przejścia jest znana jako wysokokwarcowa lub beta-kwarc, podczas gdy stabilna postać poniżej 573°C jest znany jako niskokwarcowy lub alfa-kwarc.W przypadku zastosowań rezonatorowych interesujący jest tylko kwarc alfa i o ile nie zaznaczono inaczej, termin kwarc w sequelu zawsze odnosi się do kwarcu alfa.Kwarc jest obfitym materiałem naturalnym, ale oddzielenie kwarcu dobrej jakości od naturalnego kwarcu o niskiej jakości wymaga znacznego nakładu pracy.Chociaż krzem (głównie w postaci dwutlenku, a ogólnie w postaci małych krystalitów kwarcu) stanowi około jednej trzeciej skorupy ziemskiej, naturalny kwarc o wielkości i jakości odpowiedniej do stosowania w urządzeniach wykorzystujących jego właściwości piezoelektryczne, znaleziono głównie w Brazylii.Naturalny kwarc jest również kosztowny w obróbce, ponieważ występuje w przypadkowych kształtach i rozmiarach.Co więcej, niektóre segmenty kwarcu o niskiej jakości są odkrywane dopiero po częściowej obróbce.A szeroko rozpowszechnione zanieczyszczenia w naturalnym kwarcu często sprawiają, że cięcie małych płytek jest niepraktyczne.Pierwszy duży krok w rozwoju hodowanego kwarcu miał miejsce w 1936 r., kiedy Korpus Sygnałowy Armii Stanów Zjednoczonych dał kontrakt na Brush Laboratories pod kierownictwem dr.Jaffe, Hale i Sawyer.Stało się tak ze względu na niedostatek naturalnego kwarcu o dobrej jakości piezoelektrycznej, zwyczajowo kupowanego w Brazylii.

Obecnie kwarc jest hodowany sztucznie do określonych wymiarów.Orientacja kryształów jest kontrolowana, a czystość jest jednolicie wysoka.Standardowe rozmiary zmniejszają koszt cięcia płytek, a zanieczyszczenia są szeroko rozproszone, dzięki czemu możliwe są małe rezonatory wymagające małej mocy napędowej.

2. Podstawowy proces uprawy kwarcu hodowlanego

Hodowany kwarc jest hodowany w dużym naczyniu ciśnieniowym zwanym autoklawem (patrz poniższy schematyczny rysunek).Autoklaw to metalowy cylinder, zamknięty na jednym końcu, zdolny wytrzymać ciśnienie do 30 000 funtów na cal kwadratowy przy temperaturze wewnętrznej od 700 do 800°F. Zwykle ma od 12 do 20 stóp wysokości i 2 do 3 stóp średnicy.

Małe kawałki czystego, ale nie pokrytego kwarcu (o wielkości od 1 do 1,5 cala), zwane „lascas” lub „odżywką”, umieszcza się w koszu z siatki drucianej i opuszcza do dolnej połowy naczynia.Na górze kosza umieszczona jest stalowa płyta z przygotowanymi otworami, zwana przegrodą.Przegroda służy do oddzielenia obszaru wzrostu (nasion) od obszaru składników odżywczych oraz do pomocy w ustaleniu różnicy temperatur między tymi dwoma obszarami.Odpowiednio zorientowane płytki monokrystaliczne (zarówno naturalne, jak i hodowlane), zwane „nasiennymi”, są montowane na stojaku i zawieszone na górze przegrody w górnej połowie naczynia.Autoklaw jest następnie napełniany wodnym roztworem alkalicznym (węglanem sodu lub wodorotlenkiem sodu) do około 80% jego wolnej objętości, aby umożliwić przyszłą ekspansję cieczy, i zamykany jest zamknięciem wysokociśnieniowym.Autoklaw jest następnie doprowadzany do temperatury roboczej przez szereg grzałek oporowych przymocowanych do zewnętrznego obwodu cylindra.Wraz ze wzrostem temperatury w autoklawie zaczyna narastać ciśnienie.Temperatura od 700 do 800°F jest osiągane w dolnej połowie naczynia, podczas gdy górna połowa utrzymuje się na poziomie 70 do 80°F chłodniejszy niż dolna połowa.

Przy ciśnieniu i temperaturze roboczej lascas rozpuszcza się w ogrzanym roztworze w dolnej połowie naczynia, który następnie unosi się.Gdy osiąga niższą temperaturę w górnej części naczynia, roztwór staje się przesycony, powodując rekrystalizację rozpuszczonego kwarcu w lascas na nasionach.Schłodzony zużyty roztwór powraca następnie do dolnej połowy naczynia, aby powtarzać cykl, aż lascas zostanie wyczerpany, a hodowane kamienie kwarcowe osiągną pożądany rozmiar.Ten tak zwany „proces hydrotermalny” wynosi od 25 do 365 dni, w zależności od pożądanej wielkości kamienia, właściwości i rodzaju procesu – wodorotlenek sodu lub węglan sodu.

3. Symetria, bliźniactwo i wielkość kryształu kwarcu

Kwarc alfa należy do klasy krystalograficznej 32 i jest heksagonalnym pryzmatem z sześcioma nasadkami na każdym końcu.Powierzchnie pryzmatu są oznaczone jako powierzchnie m, a powierzchnie nasadek są oznaczone jako powierzchnie R i r.Twarze R są często nazywane głównymi twarzami rombowymi, a twarze r są mniejszymi twarzami rombowymi.Kryształy zarówno lewe, jak i prawe występują naturalnie i można je odróżnić po położeniu ścian S i X.

Jak pokazano na powyższym schematycznym rysunku, kryształ alfa-kwarcowy ma pojedynczą oś o potrójnej symetrii (oś trygonalna) i ma trzy osie o podwójnej symetrii (osie dwukrotne), które są prostopadłe do tej osi trygonalnej.Osie dwukątne są oddalone od siebie o 120° i są osiami biegunowymi, to znaczy można im przypisać określony zwrot.Obecność osi biegunowych implikuje brak symetrii środka i jest warunkiem koniecznym istnienia efektu piezoelektrycznego.Osie dwukątne są również znane jako osie elektryczne kwarcu (oś x, y).W krysztale z w pełni rozwiniętymi naturalnymi ścianami, dwa końce każdej osi biegunowej można rozróżnić przez obecność lub brak ścian S i X.Kiedy nacisk jest przykładany w kierunku osi elektrycznej, ładunek ujemny powstaje na końcu osi zmodyfikowanym przez te powierzchnie.Oś trygonalna, znana również jako oś optyczna (oś z), nie jest biegunowa, ponieważ obecność normalnych do niej osi dwukątnych oznacza, że ​​oba końce osi trygonalnej są równoważne.W ten sposób nie można wytworzyć polaryzacji piezoelektrycznej wzdłuż osi optycznej.W prostokątnych układach współrzędnych oś z jest równoległa do ścian pryzmatu m.Płyta z kwarcu, której główna powierzchnia jest prostopadła do osi X, nazywana jest płytą X-cut.Obrót cięcia o 90 stopni wokół osi z daje wycinaną płytę Y, której oś y jest teraz prostopadła do głównej powierzchni.Ponieważ kryształ kwarcu ma sześć pryzmatów, istnieją trzy możliwości wyboru dla osi x i y.Wybór jest arbitralny;każdy zachowuje się identycznie.

Kwarc jest materiałem optycznie aktywnym.Gdy wiązka światła spolaryzowanego płaszczyznowo jest przepuszczana wzdłuż osi optycznej, następuje obrót płaszczyzny polaryzacji, a wielkość obrotu zależy od odległości przebytej w materiale.Zwrot obrotu można wykorzystać do rozróżnienia dwóch naturalnie występujących form kwarcu alfa, znanych jako lewy kwarc i prawy kwarc.W kwarcu lewym płaszczyzna polaryzacji obraca się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara widziana przez obserwatora patrzącego w kierunku źródła światła, aw kwarcu prawym obraca się zgodnie z ruchem wskazówek zegara.Większość produkowanego kwarcu hodowlanego to kwarc prawy, podczas gdy w naturalnym kwarcu lewy i prawy są mniej więcej równomiernie rozłożone.Obie formy można równie dobrze wykorzystać do produkcji rezonatorów, ale nie można zastosować materiału, w którym miesza się lewa i prawa forma, czyli materiału bliźniaczego optycznie.Z drugiej strony, elektrycznie bliźniaczy materiał jest taki sam, ale zawiera obszary, w których kierunek osi elektrycznej jest odwrócony, co zmniejsza ogólny efekt piezoelektryczny.Taki materiał również nie nadaje się do zastosowania w rezonatorach.Obecność bliźniaków i innych defektów w naturalnym krysztale kwarcu jest główną przyczyną niedoboru odpowiedniego materiału naturalnego, a brak znaczących bliźniaków w kwarcu hodowlanym stanowi jedną z jego głównych zalet.Gdy alfa-kwarc jest podgrzewany do powyżej 573°C, forma krystaliczna zmienia się w beta-kwarc, który ma symetrię heksagonalną, a nie trygonalną.Po schłodzeniu przez 573°C, materiał powraca do alfa-kwarcu, ale ogólnie okaże się, że jest elektrycznie zbliźniaczony.Z tego samego powodu zastosowanie dużych naprężeń termicznych lub mechanicznych może wywołać bliźniactwo, dlatego w obróbce rezonatorów konieczne jest unikanie takich szoków termicznych lub mechanicznych.

Po wyjęciu z autoklawu, w którym zostały wyprodukowane, hodowane kryształy kwarcu są przetwarzane poprzez mielenie na tzw. tarcicę.Są to długie, prostokątne pręty, nadające się do późniejszego cięcia na wafle na rezonatory.Pręty tarcicowe mają zwykle długość od 6 do 8 cali, ale długość użytkowa wynosi około 5 do 6 cali, ponieważ materiał przy końcach jest bezużyteczny.Można uprawiać dłuższe batony, ale wymagają one dłuższych nasion, których koszt szybko rośnie wraz z długością.Wysokość tarcicy jest zwykle około dwukrotnie większa od szerokości, ponieważ z każdego plasterka zwykle wycina się dwa wafle.Dostępnych jest wiele prętów tarcicowych o standardowych wymiarach, a kwarc można również uprawiać i szlifować do określonych wymiarów.

4. Zanieczyszczenia chemiczne w krysztale kwarcowym

Kwarc hodowlany i naturalny zawierają zanieczyszczenia chemiczne, które mogą wpływać na działanie rezonatora.Zanieczyszczenia chemiczne to takie, które tworzą wiązania chemiczne z krzemem i tlenem w kwarcu.Glin, żelazo, wodór i fluor to typowe zanieczyszczenia chemiczne.Są one utrzymywane na znacznie niższym poziomie w kwarcu hodowlanym niż ten często spotykany w kwarcu naturalnym.Jednak zanieczyszczenia chemiczne nie są równomiernie rozmieszczone w hodowanym kwarcu.+x ,-Regiony x, z i tak zwane regiony s, które czasami się tworzą, zawierają różne poziomy zanieczyszczeń chemicznych.Dwa regiony z zawierają najmniejszą ilość zanieczyszczeń.Region +x zawiera więcej zanieczyszczeń niż region z, a-region x ma jeszcze więcej zanieczyszczeń.Gęstość zanieczyszczeń w regionach s, które są na ogół małe, mieści się pomiędzy gęstością w obszarach z a obszarem +x.Gdy do hodowli stosuje się szerokie nasiona, regiony z tarcicy są duże, a +x i-x regiony są małe.Gdy używane są wąskie, tańsze nasiona, regiony z są mniejsze, a +x i-x regiony większe.Ogólnie rzecz biorąc, zanieczyszczenia chemiczne mogą powodować pogorszenie działania rezonatora, takie jak twardość radiacyjna, podatność na splatanie, krótko- i długoterminowa stabilność oscylatora oraz utrata filtra.

5. Rezonator Q i kryształ Q

Wartość Q rezonatora kryształowego to stosunek energii zmagazynowanej do energii traconej podczas cyklu:

Qº2PEnergia zmagazynowana podczas cyklu / Energia stracona podczas cyklu

Wartość jest ważna, ponieważ jest miarą mocy potrzebnej do wysterowania rezonatora.Q jest przede wszystkim funkcją atmosfery, w której pracuje rezonator, niedoskonałości powierzchni, zamocowań mechanicznych i innych czynników wynikających z obróbki i montażu rezonatorów.

Sztabom kwarcowym również przypisuje się wartość Q, ale wartość Q dla sztabki kwarcowej nie jest oparta na bezpośrednim pomiarze zgromadzonej energii i utraconej energii.Zamiast tego Q sztabki kwarcowej jest wartością opartą na zanieczyszczeniach w sztabce.Zanieczyszczenia chemiczne w hodowanym kwarcu mierzy się kierując światło podczerwone przez obszary z w przekroju poprzecznego pręta.Mierzona jest różnica w transmitancji przy dwóch określonych długościach fal (3500 nm i 3800 nm) iz tych danych obliczana jest wartość Q.Kwarc mający wysoki Q zawiera mniej zanieczyszczeń niż te o niskim Q, a pomiary „Q w podczerwieni”, zgodnie z normą EIA 477-1, są rutynowo stosowane przez hodowców i użytkowników kwarcu jako wskaźnik jakości kwarcu.

Wartość Q dla rezonatora generalnie nie jest identyczna z wartością dla pręta kwarcowego, z którego rezonator został wycięty.Jednak Q rezonatora może ulec zmianie, gdy Q pręta kwarcowego jest poniżej poziomu krytycznego.Wartość AQ 1,8 miliona lub wyższa dla hodowanego kwarcu wskazuje, że zanieczyszczenia chemiczne nie będą miały wpływu na końcową Q rezonatora w większości zastosowań.Kwarc mający takie wartości dla Q jest ogólnie nazywany gatunkiem elektronicznym (klasa C).Kwarc klasy premium ma Q 2,2 miliona (klasa B), a premium ma Q 3,0 miliony (klasa A).Należy pamiętać, że wartość Q dla hodowanego kwarcu opiera się tylko na domieszkach w regionie z.Dlatego nawet tam, gdzie kryształ Q jest odpowiedni do zastosowania, rezonator Q i zachowanie częstotliwości w funkcji temperatury może mieć negatywny wpływ, gdy aktywna część (między elektrodami) rezonatora zawiera +x,-x lub s materiał regionu.

Wafle kryształu kwarcu zawierające tylko materiał z regionu z można z powodzeniem ciąć tylko z prętów wyhodowanych z szerokich nasion, które są stosunkowo drogie.Na szczęście elektrody rzadko pokrywają całą powierzchnię płytki rezonatorowej, a zanieczyszczenia zawarte w +x,-Obszar x lub s nie wpływa niekorzystnie na działanie rezonatora, gdy te zanieczyszczenia znajdują się poza częścią aktywną.W związku z tym w większości zastosowań rezonatory mogą wykorzystywać kwarc wyhodowany ze stosunkowo tanich, wąskich nasion.

6. Podsumowanie

Piezoelektryczny kryształ kwarcu, odkryty w 1880 roku przez słynną parę Curie i niegdyś pozyskiwany z grubsza ciosanego naturalnego kryształu, jest obecnie hodowany sztucznie w procesie, w którym powstają kryształy o określonej wielkości i czystości.Ten hodowany kwarc obniżył koszty i zmniejszył rozmiar rezonatorów krytycznych dla taktowania dzisiejszych obwodów cyfrowych.