KWARTSkristal, HET TIMINGSmateriaal

KWARTSkristal, HET TIMINGSmateriaal

1. Inleiding

Het kwarts is een piezoelectric materiaal. Een dun wafeltje van kwarts, met elektroden in bijlage aan zich het verzetten van oppervlakten, trilt mechanisch wanneer het voltage wordt toegepast op de twee elektroden. De frequentie van trilling is hoofdzakelijk een functie van wafeltjeafmetingen. De wafeltjes, genoemd kristalresonators wanneer geschikt opgezet met elektroden in bijlage, zijn lang gebruikt voor het controleren van frequentie van radiozenders, en het is een essentiële component in telecommunicatiecommunicatieapparatuur geweest waar zijn piezoelectric eigenschappen in filters, oscillatoren en andere apparaten worden gebruikt. Nu de tijd van kwartskristallen en gecoördineerde signalen voor microprocessors, computers, programmeerbare controlemechanismen, horloges, en ander digitaal materiaal zoals diverse DSP.

Het kwarts is een kristallijne vorm van siliciumdioxyde (SiO₂). Het is een hard, bros, transparant materiaal met een dichtheid van 2649 kg/m3 en een smeltpunt van 1750° C. Quartz is onoplosbaar in gewone zuren, maar oplosbare stof in fluorwaterstofzuur en in hete alkali. Wanneer het kwarts aan 573° C wordt verwarmd, verandert zijn kristallijne vorm. De stabiele vorm boven deze overgangstemperatuur is genoemd geworden hoog-kwarts of bèta-kwarts, terwijl de stabiele vorm onder 573° C laag-kwarts of alpha--kwarts genoemd wordt. Voor resonatortoepassingen, slechts is het alpha--kwarts van belang en tenzij anders vermeld verwijst het term kwarts in het gevolg altijd naar alpha--kwarts. Het kwarts is een overvloedig natuurlijk materiaal, maar de aanzienlijke arbeid moet goede kwaliteit scheiden van het natuurlijke kwarts van slechte kwaliteit. Hoewel het silicium (hoofdzakelijk in de vorm van dioxyde, en over het algemeen als kleine kwartskristallieten) ongeveer uit één derde van de korst van de aarde bestaat, natuurlijk kwarts die van grootte en kwaliteit geschikt voor gebruik in apparaten zijn piezoelectric eigenschappen aanwenden, is gevonden hoofdzakelijk in Brazilië. Het natuurlijke kwarts is ook duur om te verwerken omdat het in willekeurige vormen en grootte voorkomt. Voorts worden sommige segmenten van het kwarts van slechte kwaliteit ontdekt slechts na gedeeltelijke verwerking. En de wijdverspreide onzuiverheden in natuurlijk kwarts maken vaak knipsel van kleine wafeltjes onpraktisch. De eerste belangrijkste stap in de ontwikkeling van beschaafd kwarts was in 1936 toen de Korpsen van het het Legersignaal van de V.S. een contract gaven om Laboratoria onder de richting van Drs. Jaffe, Hale, en Sawyer te borstelen. Dit werd gedaan wegens de hangende schaarste van natuurlijk kwarts met goede die piezoelectric kwaliteit, gewoonlijk van Brazilië wordt gekocht.

Vandaag, wordt het kwarts nu gekweekt kunstmatig aan gespecificeerde afmetingen. De kristalrichtlijn wordt gecontroleerd, en de zuiverheid is uniform hoog. De standaardgrootte drukt de kosten om wafeltjes te snijden, en de onzuiverheden zijn wijd verspreid, makend mogelijke kleine resonators die lage drijfmacht vereisen.

2. Het Eenvoudige proces om Beschaafd Kwarts Te kweken

Het beschaafde kwarts wordt in een groot die drukvat gekweekt als een autoclaaf wordt bekend (zie de volgende schematische tekening). De autoclaaf is een aan de ene kant gesloten metaalcilinder, geschikt om druk tot 30.000 ponden per vierkante duim met interne temperatuur van 700 tot 800° F. te weerstaan. Het bevindt zich gewoonlijk van 12 tot 20 voet hoge en 2 tot 3 voeten in diameter.

De kleine spaanders van zuiver maar V.N.-onder ogen gezien kwarts (1 tot 1,5 duim in grootte), genoemd „lascas of voedingsmiddel“, worden geplaatst in een mand van het draadnetwerk en in de bodemhelft van het schip verminderd. Een staalplaat met vooraf geregelde gaten, genoemd een „schot“, wordt geplaatst bovenop de mand. Het schot wordt gebruikt om het de groei (zaad) gebied en het voedende gebied te scheiden, en te helpen een temperatuurverschil tussen de twee gebieden vestigen. Worden de geschikt georiënteerde enig kristalplaten (of natuurlijk of beschaafd), geroepen „zaad“, opgezet op een rek en bovenop het schot in de bovenste helft van het schip opgeschort. De autoclaaf wordt dan gevuld met een waterige alkalische oplossing (Natriumcarbonaat of Natriumhydroxyde) voor ongeveer 80% van zijn vrij volume om voor toekomstige vloeibare uitbreiding toe te staan, en het wordt verzegeld met een hoge druksluiting. De autoclaaf wordt dan gebracht aan werkende temperatuur door een reeks weerstand biedende verwarmers in bijlage aan de buitenomtrek van de cilinder. Aangezien de temperatuur stijgt, begint de druk binnen de autoclaaf te bouwen. Een temperatuur van 700 tot 800° F wordt bereikt in lager - de helft van het schip terwijl de hoogste helft bij 70 tot 80°f koeler dan de bodem half wordt gehandhaafd.

Bij werkende druk en temperatuur, lost lascas in de verwarmde oplossing in lager op - de helft van het schip, dat dan toeneemt. Aangezien het de koelere temperatuur van het bovenste gedeelte van het schip bereikt, wordt de oplossing oververzadigd, veroorzakend het opgeloste kwarts binnen lascas om op het zaad opnieuw te kristalliseren. De gekoelde bestede oplossing keert dan naar lager terug - de helft van het schip om de cyclus te herhalen tot lascas wordt uitgeput hebben en de beschaafde kwartsstenen de gewenste grootte bereikt. Dit zogenaamde „Hydrothermale Proces“ tijdsbereiken van 25 tot 365 dagen, die van de gewenste steengrootte, eigenschappen, en het procestype afhangen – Natriumhydroxyde of Natriumcarbonaat.

3. Symmetrie, het Samenbrengen en Grootte van Kwartskristal

Het alpha--kwarts behoort tot kristallografische klasse 32, en het is een hexagonaal prisma met zes GLB-gezichten op elk eind. De prismagezichten worden aangewezen m-gezichten en de GLB-gezichten worden aangewezen R en r-gezichten. De r-Gezichten worden vaak genoemd belangrijke ruitgezichten en de r-gezichten zijn minder belangrijke ruitgezichten.  Zowel komen de linker als rechtse kristallen natuurlijk voor en kunnen door de positie van de gezichten van S worden onderscheiden en X-.

Zoals aangetoond in de bovengenoemde schematische tekening, heeft het alpha--kwartskristal één enkele as van drievoudige symmetrie (trigonal as), en het heeft drie assen van tweevoudige symmetrie (digonalassen) die aan die trigonal as loodrecht is. De digonalassen zijn uit elkaar geplaatste 120° apart en zijn polaire assen, d.w.z., een welomlijnde betekenis kunnen aan hen worden toegewezen. De aanwezigheid van polaire assen impliceert het gebrek aan een centrumsymmetrie en is noodzakelijke voorwaarde voor het bestaan van het piezoelectric effect. De digonalassen zijn ook genoemd geworden elektrische assen van kwarts (x, y-as). In kristal met volledig ontwikkelde natuurlijke gezichten, kunnen de twee einden van elke polaire as door de aanwezigheid of het ontbreken van de gezichten van S worden onderscheiden en X-. Wanneer de druk in de richting van de elektrische as wordt toegepast, wordt een negatieve last ontwikkeld op dat die eind van de as door deze gezichten wordt gewijzigd. De trigonal as, ook als de optische as (z-as) wordt bekend, is niet polair, aangezien de aanwezigheid van digonalassen normaal aan het impliceert dat de twee einden van de trigonal as die gelijkwaardig zijn. Aldus kan geen piezoelectric polarisatie langs optische as worden veroorzaakt.  In de rechthoekige gecoördineerde systemen, is de z-as parallel met de m-prismagezichten. Een plaat van kwartsbesnoeiing met wordt zijn belangrijke oppervlakteloodlijn aan de x-as genoemd een x-Besnoeiing plaat. Roterend de besnoeiing geeft 90 graden over de z-as nu een y-Besnoeiing plaat met y-as de loodlijn aan de belangrijkste oppervlakte. Aangezien een kwartskristal zes prismagezichten heeft, bestaan er drie keuzen voor x en de y-as. De selectie is willekeurig; elk gedraagt zich identiek.

Het kwarts is een optisch actief materiaal. Wanneer een straal van vlak-gepolariseerd licht langs de optische as die wordt overgebracht, komt een omwenteling van het vliegtuig van polarisatie, en het bedrag voor de omwenteling van de afstand afhangt in het materiaal is overgestoken. De betekenis van de omwenteling kan worden gebruikt om tussen twee te onderscheiden natuurlijk - voorkomende die vormen van alpha--kwarts als linkerkwarts en juist kwarts worden bekend. In linkerkwarts roteert het vliegtuig van polarisatie tegen de wijzers van de klok in wanneer gezien door een waarnemer die naar de bron van licht, en in juist kwarts kijken het met de wijzers van de klok mee roteert. Het meeste beschaafd geproduceerd kwarts is juist kwarts, terwijl in natuurlijk linker en juist kwarts over eveneens verdeeld zijn. Één van beide vorm kan even goed in de vervaardiging van resonators worden gebruikt, maar het materiaal waarin de linker en juiste vormen worden gemengd, wat optisch samengebracht materiaal wordt genoemd, kan niet worden gebruikt. Anderzijds, is het elektrisch samengebrachte materiaal alle zelfde hand, maar bevat gebieden waar de betekenis van de elektrische as wordt omgekeerd, waarbij het algemene piezoelectric effect wordt verminderd. Dergelijk materiaal is ook niet geschikt voor resonatortoepassing. De aanwezigheid van samenbrengende en andere tekorten in natuurlijk kwartskristal is de belangrijkste reden voor het tekort aan geschikt natuurlijk materiaal, en het ontbreken van het significante samenbrengen in beschaafd kwarts vormt één van zijn hoofdvoordelen. Wanneer het alpha--kwarts aan hierboven 573° C wordt verwarmd, verandert de kristallijne vorm in dat van bèta-kwarts, dat hexagonale eerder dan trigonal symmetrie heeft. Bij het koelen neer door 573° C, zal het materiaal terugkeert aan alpha--kwarts, maar in het algemeen wordt gevonden aan elektrisch samengebracht. Tevens, kan de toepassing van grote thermische of mechanische spanningen het samenbrengen veroorzaken, zodat is het noodzakelijk in resonatorverwerking om zulk thermische of mechanische schokken te vermijden.

Na wordt verwijderd uit een autoclaaf waarin zij werden geproduceerd, worden de beschaafde kwartskristallen omgezet, door te malen, in zogenaamde gehakte bars. Dit zijn lange, rechthoekige bars, geschikt voor verder knipsel in wafeltjes voor resonators. De gehakte bars zijn typisch 6 tot 8 duim lang, maar de bruikbare lengte is ongeveer 5 tot 6 duim omdat het materiaal dichtbij de einden onbruikbaar is. De langere bars kunnen worden gekweekt, maar deze vereisen langere zaden, de kosten waarvan snel met lengte stijgen. De hoogte gehakte bars over het algemeen is ongeveer tweemaal de breedte omdat twee wafeltjes normaal van elke plak worden gesneden. De talrijke standaard-gerangschikte gehakte bar is beschikbaar, en het kwarts kan ook worden gekweekt en grond aan gespecificeerde afmetingen.

4. Chemische Onzuiverheden in Kwartskristal

Zowel bevat het gecultiveerde als natuurlijke kwarts chemische onzuiverheden die resonatorprestaties kunnen beïnvloeden. De chemische onzuiverheden zijn die die chemische banden met silicium en zuurstof in kwarts vormen. Het aluminium, het ijzer, de waterstof en het fluor zijn typische chemische onzuiverheden. Zij worden gehouden op een veel lager niveau in beschaafd kwarts dan dat vaak gevonden in natuurlijk kwarts. Nochtans, worden de chemische onzuiverheden niet gelijk verdeeld in beschaafd kwarts. +x, - x, z-de gebieden, en de zogenaamde s-gebieden die zich nu en dan vormen, bevatten verschillende niveaus van chemische onzuiverheden. De twee z-gebieden bevatten de minste hoeveelheid onzuiverheden. Het +x-gebied bevat meer onzuiverheden dat het z-gebied, en - x gebied nog meer onzuiverheden hebben. De dichtheid van onzuiverheden in de s-gebieden, die over het algemeen klein zijn, is tussen dat in de z-gebieden en dat in het +x-gebied. Wanneer de brede zaden voor het cultiveren worden gebruikt, zijn de z-gebieden van een gehakte bar groot en +x en - x gebieden zijn klein. Wanneer worden de smalle, minder dure zaden gebruikt, zijn de z-gebieden kleiner en +x en - x grotere gebieden. In het algemeen, kunnen de chemische onzuiverheden resulteren in degraderen in de resonatorprestaties zoals stralingshardheid, gevoeligheid aan het kronkelen, oscillatorstabiliteit op korte termijn en op lange termijn, en filterverlies.

5. Resonator Q en Kristal Q

De q-waarde van een kristalresonator is de verhouding van energie aan energie wordt tijdens een cyclus wordt verloren opgeslagen die:

Q º 2penergie tijdens een cyclus wordt/Energie tijdens een cyclus wordt verloren opgeslagen die

De waarde is belangrijk omdat het een maatregel van de macht is wordt vereist om de resonator te drijven die. Q is hoofdzakelijk een functie van de atmosfeer waarin een resonator, oppervlakteonvolmaaktheid, mechanische gehechtheid en andere factoren als gevolg van de verwerking van en het opzetten van de resonators werkt.

Het kwarts hakte bars ook wordt toegewezen een q-waarde, maar Q voor een kwartsbar is niet gebaseerd op een directe opgeslagen meting van energie en verloren energie. In plaats daarvan die, is Q van een kwartsbar een cijfer van verdienste op onzuiverheden in de bar wordt gebaseerd. De chemische onzuiverheden in beschaafd kwarts worden gemeten door een infrarood licht door de z-gebieden in een dwarsdoorsnedeplak van een gehakte bar te leiden. Het verschil in overbrenging bij twee specifieke golflengten (3.500 NM en 3.800 NM) wordt gemeten, en q-de waarde wordt berekend vanaf deze gegevens. Het kwarts die hoog Q hebben bevat minder onzuiverheid dan die met laag Q, de metingen en van „Infrarood Q“, per EIA Standard 477-1, worden uit routine gebruikt door kwartskwekers en gebruikers als indicator van kwartskwaliteit.

De waarde van Q voor een resonator over het algemeen is niet identiek aan dat voor de kwartsbar waarvan de resonator werd gesneden. Nochtans, kan Q van een resonator worden beïnvloed wanneer Q van de kwartsbar onder een kritisch niveau is. Een q-waarde van 1,8 miljoen of hoger voor beschaafd kwarts is een aanwijzing dat de chemische onzuiverheden geen factor in definitief Q van een resonator voor de meeste toepassingen zullen zijn. Het kwarts dat dergelijke waarden voor Q heeft wordt over het algemeen genoemd elektronische rang (Rang C). Het kwarts van de premierang heeft Q van 2,2 miljoen (Rang B), en de speciale premie heeft Q van 3,0 miljoen (Rang A). Het is belangrijk om zich van dat bewust te zijn de q-waarde want het beschaafde kwarts op onzuiverheden in het z-slechts gebied gebaseerd is. Daarom zelfs waar het kristal Q voor een toepassing adequaat is, kunnen de resonator Q en de frequentie versus temperatuurgedrag ongunstig worden beïnvloed waar het actieve gedeelte (tussen de elektroden) van een resonator +x, - x, of s-het materiaal van het gebied omvat.

De wafeltjes die van het kwartskristal slechts z-gebied materiaal bevatten die kunnen met succes slechts van bars worden gesneden van brede zaden worden gekweekt, die vrij duur zijn. Gelukkig, behandelen de elektroden zelden de volledige oppervlakte van een resonatorwafeltje, en onzuiverheden in +x, - x, of s-het gebied beïnvloedt ongunstig resonator geen verrichting wanneer dit onzuiverheidsmateriaal buiten het actieve gedeelte ligt. Aldus die, kunnen de resonators voor de meeste toepassingen kwarts gebruiken van een vrij goedkoop smal zaad wordt gekweekt.

6. Samenvatting

Piezoelectric kwartskristal, in 1880 door het beroemde Curiepaar wordt ontdekt en zodra verkregen aan hoge kosten uit onbehouwen natuurlijk kristal, wordt nu gekweekt kunstmatig door een proces dat kristallen van gespecificeerde grootte en zuiverheid die produceert. Dit beschaafde kwarts heeft de kosten verminderd en de grootte van resonators kritiek aan de timing van de digitale kringen van vandaag verminderd.