کریستال کوارتز، ماده زمان بندی

کریستال کوارتز، ماده زمان بندی

1. مقدمه

کوارتز یک ماده پیزوالکتریک است.یک ویفر نازک از کوارتز، با الکترودهای متصل به سطوح مخالف، هنگامی که ولتاژ به دو الکترود اعمال می شود، به صورت مکانیکی می لرزد.فرکانس ارتعاش در درجه اول تابعی از ابعاد ویفر است.ویفرها که در صورت نصب مناسب با الکترودهای متصل، تشدیدگرهای کریستالی نامیده می‌شوند، مدت‌هاست برای کنترل فرکانس فرستنده‌های رادیویی مورد استفاده قرار می‌گیرند و جزء ضروری در تجهیزات ارتباطی مخابراتی بوده‌اند، جایی که خواص پیزوالکتریک آن در فیلترها، نوسان‌گرها و سایر دستگاه‌ها استفاده می‌شود.اکنون کریستال‌های کوارتز سیگنال‌های زمان و مختصات را برای ریزپردازنده‌ها، رایانه‌ها، کنترل‌کننده‌های قابل برنامه‌ریزی، ساعت‌ها و سایر تجهیزات دیجیتال مانند DSP‌های مختلف می‌سازد.

کوارتز یک شکل کریستالی از دی اکسید سیلیکون (SiO₂).این ماده سخت، شکننده و شفاف با چگالی 2649 کیلوگرم بر متر است³و نقطه ذوب 1750درجهج- کوارتز در اسیدهای معمولی نامحلول است، اما در اسید هیدروفلوئوریک و در قلیاهای داغ محلول است.وقتی کوارتز تا 573 گرم می شوددرجهج، شکل کریستالی آن تغییر می کند.شکل پایدار بالای این دمای انتقال به عنوان کوارتز بالا یا بتا کوارتز شناخته می شود، در حالی که شکل پایدار زیر 573درجهC به عنوان کوارتز کم یا آلفا کوارتز شناخته می شود.برای کاربردهای تشدید کننده، فقط آلفا کوارتز مورد توجه است و مگر اینکه خلاف آن ذکر شده باشد، اصطلاح کوارتز در دنباله همیشه به آلفا کوارتز اشاره دارد.کوارتز یک ماده طبیعی فراوان است، اما برای جدا کردن کیفیت خوب از کوارتز طبیعی بی کیفیت، به کار قابل توجهی نیاز است.اگرچه سیلیکون (عمدتا به شکل دی اکسید و به طور کلی به صورت بلورهای کوارتز کوچک) تقریباً یک سوم پوسته زمین را تشکیل می دهد، کوارتز طبیعی با اندازه و کیفیت مناسب برای استفاده در دستگاه هایی که از خواص پیزوالکتریک آن استفاده می کنند، عمدتاً در برزیل یافت شده است.فرآوری کوارتز طبیعی نیز پرهزینه است زیرا در اشکال و اندازه های تصادفی رخ می دهد.علاوه بر این، برخی از بخش های کوارتز بی کیفیت تنها پس از پردازش جزئی کشف می شوند.و ناخالصی های گسترده در کوارتز طبیعی اغلب برش ویفرهای کوچک را غیرعملی می کند.اولین گام بزرگ در توسعه کوارتز پرورشی در سال 1936 بود که سپاه سیگنال ارتش ایالات متحده قراردادی را با آزمایشگاه براش به سرپرستی Dr.جافه، هیل و سایر.این به دلیل کمبود کوارتز طبیعی با کیفیت پیزوالکتریک خوب که معمولاً از برزیل خریداری می شود، انجام شد.

امروزه کوارتز به طور مصنوعی در ابعاد مشخص رشد می کند.جهت گیری کریستال کنترل می شود و خلوص به طور یکنواخت بالا است.اندازه های استاندارد هزینه برش ویفرها را کاهش می دهد و ناخالصی ها به طور گسترده ای پراکنده می شوند و تشدید کننده های کوچکی را ممکن می سازند که به قدرت محرکه کمی نیاز دارند.

2. فرآیند اساسی رشد کوارتز پرورشی

کوارتز کشت شده در یک مخزن تحت فشار بزرگ که به عنوان اتوکلاو شناخته می شود رشد می کند (نمودار شماتیک زیر را ببینید).اتوکلاو یک استوانه فلزی است که در یک انتها بسته شده و قادر به تحمل فشار تا 30000 پوند بر اینچ مربع با دمای داخلی 700 تا 800 است.درجهF- معمولاً بین 12 تا 20 فوت ارتفاع و 2 تا 3 فوت قطر دارد.

تراشه های کوچک کوارتز خالص اما بدون روکش (به اندازه 1 تا 1.5 اینچ) که "لاسکا یا ماده مغذی" نامیده می شود، در یک سبد مشبک سیمی قرار داده شده و در نیمه پایینی ظرف فرو می روند.یک صفحه فولادی با سوراخ های از پیش تنظیم شده به نام "بافل" در بالای سبد قرار داده شده است.بافل برای جدا کردن ناحیه رشد (بذر) و ناحیه مغذی و کمک به ایجاد اختلاف دما بین دو منطقه استفاده می شود.صفحات تک کریستالی با جهت مناسب (چه طبیعی یا کشت شده)، به نام "دانه"، روی یک قفسه نصب شده و در بالای بافل در نیمه بالایی ظرف آویزان می شوند.سپس اتوکلاو با یک محلول قلیایی آبی (کربنات سدیم یا هیدروکسید سدیم) تا حدود 80 درصد حجم آزاد آن پر می شود تا امکان انبساط مایع در آینده فراهم شود و با یک درب با فشار بالا مهر و موم می شود.سپس اتوکلاو توسط مجموعه ای از گرمکن های مقاومتی متصل به محیط بیرونی سیلندر به دمای کار می رسد.با افزایش دما، فشار در اتوکلاو شروع به ایجاد می کند.دمای 700 تا 800درجهF در نیمه پایینی رگ به دست می آید در حالی که نیمه بالایی در 70 تا 80 حفظ می شوددرجهF خنک تر از نیمه پایین.

در فشار و دمای عملیاتی، لاسکا در محلول گرم شده در نیمه پایینی ظرف حل می شود، که سپس بالا می رود.با رسیدن به دمای خنک‌تر قسمت بالایی ظرف، محلول فوق‌اشباع می‌شود و باعث می‌شود کوارتز محلول در لاسکا دوباره روی دانه متبلور شود.سپس محلول مصرف شده سرد شده به نیمه پایینی ظرف باز می گردد تا چرخه را تکرار کند تا زمانی که لاسکاها تخلیه شوند و سنگ های کوارتز کشت شده به اندازه دلخواه برسند.این به اصطلاح "فرآیند هیدروترمال" بسته به اندازه سنگ مورد نظر، خواص و نوع فرآیند - هیدروکسید سدیم یا کربنات سدیم - از 25 تا 365 روز متغیر است.

3. تقارن، دوقلویی و اندازه کریستال کوارتز

آلفا کوارتز متعلق به کلاس کریستالوگرافی 32 است و یک منشور شش ضلعی با شش وجه کلاهک در هر انتها است.وجه های منشور به صورت m و وجه های کلاهک به صورت R و r مشخص می شوند.وجه‌های R اغلب وجه‌های لوزی اصلی و وجه‌های r صورت‌های لوزی فرعی نامیده می‌شوند.کریستال های چپ و راست هر دو به طور طبیعی رخ می دهند و می توان آنها را با موقعیت S و X تشخیص داد.

همانطور که در نقشه شماتیک بالا نشان داده شده است، کریستال آلفا کوارتز دارای یک محور با تقارن سه برابری (محور مثلثی) و دارای سه محور تقارن دو برابری (محورهای دوضلعی) است که بر آن محور مثلثی عمود است.محورهای دو ضلعی با فاصله 120 درجه از یکدیگر قرار دارند و محورهای قطبی هستند، یعنی می توان یک حس قطعی به آنها اختصاص داد.وجود محورهای قطبی به معنای عدم تقارن مرکز است و شرط لازم برای وجود اثر پیزوالکتریک است.محورهای دو ضلعی به عنوان محورهای الکتریکی کوارتز (محور x، y) نیز شناخته می شوند.در کریستالی با وجوه طبیعی کاملاً توسعه یافته، دو انتهای هر محور قطبی را می توان با وجود یا عدم وجود وجه های S و X متمایز کرد.هنگامی که فشار در جهت محور الکتریکی اعمال می شود، یک بار منفی در انتهای محور که توسط این وجوه اصلاح شده ایجاد می شود.محور مثلثی که به عنوان محور نوری (محور z) نیز شناخته می‌شود، قطبی نیست، زیرا وجود محورهای دو ضلعی معمولی به آن دلالت دارد که دو سر محور مثلثی معادل هستند.بنابراین هیچ قطبش پیزوالکتریک نمی تواند در امتداد محور نوری تولید شود.در سیستم های مختصات مستطیلی، محور z موازی با وجوه منشور m است.صفحه ای از برش کوارتز که سطح اصلی آن عمود بر محور x باشد، صفحه X-cut نامیده می شود.چرخش 90 درجه برش حول محور z صفحه ای برش Y می دهد که محور y اکنون بر سطح اصلی عمود است.از آنجایی که یک کریستال کوارتز دارای شش وجه منشوری است، سه گزینه برای محور x و y وجود دارد.انتخاب دلخواه است.هر کدام یکسان رفتار می کنند

کوارتز یک ماده فعال نوری است.هنگامی که پرتوی از نور پلاریزه شده صفحه در امتداد محور نوری منتقل می شود، چرخش صفحه قطبش رخ می دهد و میزان چرخش به مسافت طی شده در ماده بستگی دارد.حس چرخش را می توان برای تمایز بین دو شکل طبیعی آلفا کوارتز معروف به کوارتز چپ و کوارتز راست استفاده کرد.در کوارتز چپ، صفحه پلاریزاسیون در جهت خلاف جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخد، هنگامی که ناظری که به سمت منبع نور نگاه می‌کند، و در کوارتز راست در جهت عقربه‌های ساعت می‌چرخد.اکثر کوارتزهای کشت شده تولید شده کوارتز راست است، در حالی که در طبیعی کوارتز چپ و راست تقریباً به طور مساوی توزیع می شوند.از هر یک از این دو فرم می توان به همان اندازه در ساخت رزوناتورها استفاده کرد، اما موادی که در آن شکل چپ و راست با هم مخلوط می شوند، که به آن مواد دوقلو نوری می گویند، نمی توان استفاده کرد.از سوی دیگر، مواد دوقلو الکتریکی همگی از یک دست هستند، اما شامل مناطقی هستند که حس محور الکتریکی معکوس می شود، بنابراین اثر کلی پیزوالکتریک را کاهش می دهد.چنین موادی نیز برای کاربرد تشدید کننده مناسب نیستند.وجود دوقلویی و سایر عیوب در کریستال کوارتز طبیعی دلیل اصلی کمبود مواد طبیعی مناسب است و عدم وجود دوقلویی قابل توجه در کوارتز پرورشی یکی از مزایای اصلی آن است.وقتی آلفا کوارتز تا بالای 573 گرم شوددرجهC، شکل کریستالی به شکل بتا کوارتز تغییر می کند، که دارای تقارن شش ضلعی به جای مثلثی است.هنگام خنک شدن از طریق 573درجهC، ماده به آلفا کوارتز برمی گردد، اما به طور کلی به صورت الکتریکی دوقلوی پیدا می شود.به همین ترتیب، اعمال تنش‌های حرارتی یا مکانیکی بزرگ می‌تواند باعث دوقلوزایی شود، بنابراین در پردازش تشدیدکننده لازم است از هرگونه شوک حرارتی یا مکانیکی جلوگیری شود.

کریستال های کوارتز کشت شده پس از خارج شدن از اتوکلاو که در آن تولید شده اند، با آسیاب کردن به میله های چوبی تبدیل می شوند.این ها میله های مستطیلی و بلند هستند که برای برش بعدی به ویفرهای تشدید کننده مناسب هستند.میله های چوبی معمولاً 6 تا 8 اینچ طول دارند، اما طول قابل استفاده حدود 5 تا 6 اینچ است زیرا مواد نزدیک انتهای آن غیرقابل استفاده است.میله‌های بلندتر را می‌توان پرورش داد، اما این دانه‌ها به دانه‌های طولانی‌تری نیاز دارند که هزینه آن با طول به سرعت افزایش می‌یابد.ارتفاع میله های چوبی معمولاً تقریباً دو برابر عرض است زیرا معمولاً از هر برش دو ویفر بریده می شود.تعداد زیادی میله چوبی با اندازه استاندارد موجود است و کوارتز را نیز می توان در ابعاد مشخص رشد داد و آسیاب کرد.

4. ناخالصی های شیمیایی در کریستال کوارتز

کوارتز کشت شده و طبیعی هر دو حاوی ناخالصی های شیمیایی هستند که می توانند بر عملکرد تشدید کننده تأثیر بگذارند.ناخالصی های شیمیایی آنهایی هستند که با سیلیکون و اکسیژن موجود در کوارتز پیوندهای شیمیایی ایجاد می کنند.آلومینیوم، آهن، هیدروژن و فلوئور ناخالصی های شیمیایی معمولی هستند.سطح آنها در کوارتز پرورشی بسیار پایین تر از سطحی است که اغلب در کوارتز طبیعی یافت می شود.با این حال، ناخالصی های شیمیایی در کوارتز کشت شده به طور مساوی توزیع نمی شوند.+x،-نواحی x، z و به اصطلاح نواحی s که گهگاه تشکیل می شوند، حاوی سطوح مختلفی از ناخالصی های شیمیایی هستند.دو ناحیه z دارای کمترین میزان ناخالصی هستند.ناحیه +x حاوی ناخالصی های بیشتری نسبت به ناحیه z و the است-ناحیه x ناخالصی های بیشتری دارد.چگالی ناخالصی ها در نواحی s، که عموماً کوچک هستند، بین تراکم در ناحیه z و در ناحیه +x است.هنگامی که از دانه های پهن برای کشت استفاده می شود، ناحیه z یک میله چوبی بزرگ است و +x و-مناطق x کوچک هستند.وقتی از دانه‌های باریک و ارزان‌تر استفاده می‌شود، مناطق z کوچک‌تر و +x و-x مناطق بزرگتربه طور کلی، ناخالصی های شیمیایی می تواند منجر به کاهش عملکرد تشدید کننده مانند سختی تابش، حساسیت به دوقلویی، پایداری کوتاه مدت و بلند مدت نوسانگر و از بین رفتن فیلتر شود.

5. تشدید کننده کیو و کریستال کیو

مقدار Q یک تشدید کننده کریستالی نسبت انرژی ذخیره شده به انرژی از دست رفته در طول یک چرخه است:

سº2پانرژی ذخیره شده در طول یک چرخه / انرژی از دست رفته در طول یک چرخه

مقدار مهم است زیرا معیاری برای قدرت مورد نیاز برای به حرکت درآوردن تشدید کننده است.Q در درجه اول تابعی از جوی است که یک تشدید کننده در آن کار می کند، نقص سطح، اتصالات مکانیکی و سایر عوامل ناشی از پردازش و نصب تشدید کننده ها.

به میله های چوبی کوارتز نیز مقدار Q اختصاص داده می شود، اما Q برای میله کوارتز بر اساس اندازه گیری مستقیم انرژی ذخیره شده و انرژی از دست رفته نیست.درعوض، Q یک میله کوارتز بر اساس ناخالصی‌های موجود در میله، یک رقم ارزشمند است.ناخالصی های شیمیایی در کوارتز کشت شده با هدایت یک نور مادون قرمز از طریق مناطق z در یک برش مقطع از یک میله چوبی اندازه گیری می شود.تفاوت در عبور در دو طول موج خاص (3500 نانومتر و 3800 نانومتر) اندازه‌گیری می‌شود و مقدار Q از این داده‌ها محاسبه می‌شود.کوارتز با Q بالا حاوی ناخالصی کمتری نسبت به کوارتز با Q پایین است و اندازه‌گیری‌های "Q مادون قرمز"، طبق استاندارد EIA 477-1، معمولاً توسط تولیدکنندگان و کاربران کوارتز به عنوان شاخص کیفیت کوارتز استفاده می‌شود.

مقدار Q برای یک تشدید کننده معمولاً با مقدار میله کوارتزی که تشدید کننده از آن بریده شده است یکسان نیست.با این حال، زمانی که Q میله کوارتز زیر یک سطح بحرانی باشد، Q یک تشدید کننده می تواند تحت تأثیر قرار گیرد.مقدار AQ 1.8 میلیون یا بالاتر برای کوارتز کشت شده، نشانه ای از این است که ناخالصی های شیمیایی عاملی در Q نهایی یک تشدید کننده برای اکثر کاربردها نخواهد بود.کوارتز با داشتن چنین مقادیری برای Q عموماً درجه الکترونیکی (گرید C) نامیده می شود.کوارتز درجه ممتاز دارای Q 2.2 میلیون (گرید B) و حق بیمه ویژه دارای Q 3.0 میلیون (گرید A) است.توجه به این نکته مهم است که مقدار Q برای کوارتز کشت شده تنها بر اساس ناخالصی های ناحیه z است.بنابراین، حتی در جایی که کریستال Q برای یک کاربرد کافی است، رزوناتور Q و رفتار فرکانس در برابر دما می تواند در جایی که بخش فعال (بین الکترودها) یک تشدید کننده شامل +x باشد، تأثیر منفی می گذارد.-x یا مواد منطقه s.

ویفرهای کریستال کوارتز که فقط حاوی مواد منطقه z هستند را می توان با موفقیت فقط از میله های رشد یافته از دانه های پهن که نسبتاً گران هستند برش داد.خوشبختانه، الکترودها به ندرت کل سطح یک ویفر تشدید کننده را می پوشانند و ناخالصی های موجود در +x،-هنگامی که این مواد ناخالص در خارج از بخش فعال قرار دارند، ناحیه x یا s بر عملکرد تشدید کننده تأثیر منفی نمی گذارد.بنابراین، تشدید کننده ها برای اکثر کاربردها می توانند از کوارتز رشد یافته از یک دانه باریک نسبتا ارزان استفاده کنند.

6. خلاصه

کریستال کوارتز پیزوالکتریک، که در سال 1880 توسط زوج معروف کوری کشف شد و زمانی با هزینه گزافی از کریستال طبیعی تراشیده شده به دست می‌آمد، اکنون به‌طور مصنوعی با فرآیندی رشد می‌کند که کریستال‌هایی با اندازه و خلوص مشخص تولید می‌کند.این کوارتز پرورشی هزینه را کاهش داده و اندازه تشدید کننده های حیاتی برای زمان بندی مدارهای دیجیتال امروزی را کاهش داده است.