کوارتز مونو کریستالی

کوارتز مورد استفاده در تولید محصولات کنترل فرکانس مونو کریستالی به شکل شش ضلعی نامتقارن است.از نظر شیمیایی، کوارتز دی اکسید سیلیکون است، SiO2 که به طور طبیعی به عنوان فراوان ترین کانی روی زمین وجود دارد و تقریباً 14 درصد از سطح زمین را تشکیل می دهد.

اهمیت کوارتز مونو کریستالی در صنعت الکترونیک مدرن نتیجه ترکیبی از خواص پیزوالکتریک، پایداری مکانیکی و شیمیایی بالا، Q بسیار بالا در رزونانس و روش‌های مدرن کم‌هزینه برای تولید سطوح بسیار بالایی از خلوص در مواد مصنوعی است.

کوارتز در حال حاضر به عنوان ماده اصلی برای کنترل فرکانس در تجهیزات الکترونیکی ضروری است و استانداردهای اتمی اولیه مانند سزیم و روبیدیم تنها از نظر دقت طولانی مدت پیشی گرفته است.

با این وجود، توسعه اخیر mems، سیستم‌های میکرو الکترومکانیکی، و nems، سیستم‌های نانو الکترومکانیکی، با ادغام ساعت‌های ساده در بسترهای سیلیکونی مورد استفاده برای ساخت IC، انقلابی در بازار کنترل فرکانس ایجاد می‌کند.

این دستگاه‌های مینیاتوری ممکن است به ناچار جایگزین تمام ساعت‌های ساده شوند که قابلیت اطمینان بیشتری را با هزینه کمتر و در جایی که حداقل دقت زمان‌بندی الزامی است، فراهم می‌کنند.

در شکل شیمیایی اصلی خود، دی اکسید سیلیکون را نمی توان برای کنترل فرکانس استفاده کرد و باید از ساختار تک کریستالی برخوردار باشد که در آن به دلیل شکل نامتقارنش، کیفیت پیزوالکتریک قابل استفاده از خود نشان می دهد.پیزوالکتریک (به یونانی Piezein 'فشار دادن') در کوارتز مونو کریستالی توسط برادران کوری در سوربن پاریس در سال 1880 کشف شد.

با این حال، تا سال 1917 که پروفسور لانژوین در فرانسه و AM Nicolson در Western Electric به طور مستقل فرستنده‌های سونار را برای تشخیص زیردریایی‌ها در دریا طراحی کردند، از این ویژگی در کاربرد عملی استفاده نشد.

نیکولسون بعداً با استفاده از کوارتز و نمک راشل تعداد زیادی پتنت برای برنامه های کاربردی ثبت کرد.این ماده اخیر به شدت به امواج صوتی و محرک‌های الکتریکی پاسخ می‌دهد و توسط نیکولسون در طرح‌های میکروفون، بلندگوها و دستگاه‌های گرامافون گنجانده شد.در حالی که نیکلسون استفاده از مواد الکتریکی پیزو را برای کنترل فرکانس نوسان ساز لوله خلاء پیشنهاد کرده بود، دکتر والتر کادی از دانشگاه Wesleyan بود که اولین پتنت را برای نوسانگرهای کنترل شده کریستالی در سال 1923 ثبت کرد.

پروفسور GW Pierce از دانشگاه هاروارد در این زمان کار بیشتری را بر روی توسعه نوسانگر کریستالی انجام داد.دستاورد اصلی پیرس طراحی یک نوسان ساز کنترل شده کریستالی با استفاده از تنها یک لوله خلاء و بدون مدارهای تنظیم شده به جز خود کریستال بود.

در اوایل دهه 1920، توسعه نوسانگرهای کریستالی و فناوری رادیویی به طور پیوسته در کنار یکدیگر پیشرفت کردند.عمده کاربردهای نوسانگرهای کریستالی در این روزهای اولیه برای استفاده به عنوان استانداردهای زمانی بود و تا حدود سال 1926 بود که از نوسانگرهای کریستالی برای کنترل فرکانس فرستنده رادیویی استفاده شد.این کار در ایستگاه رادیویی WEAF در نیویورک که متعلق به AT و T بود انجام شد.

آزمایشگاه‌های تلفن بل که بخشی از AT&T بودند و همراه با شرکت مارکونی در بریتانیا و آلمان SEL به پیشرفت‌های چشمگیری در فناوری کریستال در طول دهه 1930 دست یافتند.در سال 1934، آقایان لاک و ویلارد در آزمایشگاه های بل، کریستال های AT Cut و BT Cut را کشف کردند که به صنعت ارتباطات، کریستال های عملکرد فرکانس در مقابل دما را بسیار بهبود بخشید.

بهبود تکنیک‌های آب‌بندی و تولید همراه با کشف خانواده جدیدی از برش‌های جبران‌شده استرس، از جمله پیشرفت‌هایی است که در طول دهه گذشته همراه با فرآیند مزای معکوس اخیر و کوچک‌سازی کریستال‌ها و نوسان‌گرها انجام شده است.

مواد پیزوالکتریک زمانی که تحت فشار قرار می‌گیرند، بار الکتریکی مرتبط با جهت را نشان می‌دهند و برعکس اعمال بار الکتریکی باعث ایجاد نیروی مرتبط جهت در داخل ماده می‌شود.اعمال میدان الکتریکی متناوب باعث ارتعاش مواد و متعاقبا تشدید مکانیکی می شود.فرکانس هر رزونانس مکانیکی با ابعاد فیزیکی ماده، "زاویه برش" با توجه به محور کریستالی کریستال تک کریستالی اصلی، دمای محیط و هر گونه اثر اصلاحی اجزای مکانیکی یا الکتریکی مرتبط تعیین می شود.

از خواص کوارتز متبلور می توان به پایداری شیمیایی و مکانیکی بالا و ضریب دمایی پایین آن اشاره کرد که در نتیجه تغییر کمی در فرکانس تشدید برای هر تغییر دمای محیط همراه با Q بسیار بالا در رزونانس ایجاد می کند.این به طور طبیعی رخ می دهد و تمام کارهای تجربی اولیه با استفاده از کوارتز متبلور طبیعی انجام شد.

با این حال، کوارتز متبلور طبیعی از ترکیب ناخالصی‌ها، حباب‌ها، ترک‌ها و دوقلو شدن رنج می‌برد، که ارزش آن را برای استفاده در کنترل فرکانس کاهش می‌دهد، زیرا باعث کاهش ضریب Q می‌شود.بنابراین تولید کوارتز مصنوعی به منظور تولید شکل خالص کوارتز کریستالی عاری از دوقلویی و ناخالصی ایجاد شد.

کوارتز مصنوعی در اتوکلاو از محلول اشباع شده Si O2 در دمای تقریبی 400 درجه سانتی گراد و با فشار 1000 کیلوگرم بر سانتی متر مربع برای تولید محلول فوق اشباع تولید می شود.

فرآیند ساخت کوارتز مصنوعی به روش هیدروترمال معروف است که در آن صفحات بذر آماده شده از کوارتز مونو کریستالی پیش‌گرا در محلول اشباع معلق می‌شوند و با کاهش دمای محلول، رشد بلورهای بزرگ در شرایط کنترل شده آزمایشگاهی به دست می‌آید. به حداقل رساندن ناخالصی ها و به حداکثر رساندن حجم مفید مواد.

نرخ رشد مواد مصنوعی به ترتیب 1 میلی متر در روز یا کمتر برای دستیابی به حداکثر خلوص است.تشدید کننده های کوارتز برای استفاده در مدارهای الکترونیکی با برش کوارتز کریستالی به ویفرها (یا صفحات خالی)، آبکاری الکترودها در هر طرف ویفر و محصور کردن تشدید کننده در یک نگهدارنده مناسب تولید می شوند.ابعاد ویفر کوارتز اساساً فرکانس تشدید کننده را تعیین می کند، اگرچه این نیز تحت تأثیر اندازه و ضخامت الکترودها و مدار الکتریکی مرتبط است.

جهت گیری "برش" ویفر به محور نوری کریستالی به منظور دستیابی به دقت فرکانس تشدید و یک ضریب فرکانس دمای پایین لازم برای واحد تشدید کننده نهایی بسیار مهم است.«برش» ویژگی‌های فرکانس/دما را تولید می‌کند که یا مرتبه دوم (دوتا) یا مرتبه سوم (سه تایی) هستند و بنابراین ویژگی‌ها نقاط چرخشی یک یا دو نشان می‌دهند.