Thạch anh đơn tinh thể

Thạch anh được sử dụng trong sản xuất các sản phẩm điều khiển tần số là đơn tinh thể có dạng lục giác không đối xứng.Về mặt hóa học, Thạch anh là Silicon Dioxide, SiO2 xuất hiện tự nhiên như một khoáng chất mềm nhất trên trái đất, chiếm khoảng 14% bề mặt trái đất.

Ý nghĩa của thạch anh đơn tinh thể trong ngành công nghiệp điện tử hiện đại là kết quả của các đặc tính kết hợp của áp điện, độ ổn định cơ học và hóa học cao, Q rất cao khi cộng hưởng và các phương pháp hiện đại chi phí thấp để tạo ra mức độ tinh khiết cực cao trong vật liệu tổng hợp.

Thạch anh ngày nay không thể thiếu như là vật liệu chính để kiểm soát tần số trong thiết bị điện tử và chỉ được vượt qua về độ chính xác lâu dài theo các tiêu chuẩn nguyên tử chính như Cesium và Rubidi.

Tuy nhiên, sự phát triển gần đây của mems, hệ thống cơ điện vi mô và nems, hệ thống cơ điện nano, được thiết lập để cách mạng hóa thị trường điều khiển tần số với việc tích hợp đồng hồ đơn giản vào đế silicon được sử dụng để chế tạo vi mạch.

Những thiết bị thu nhỏ này chắc chắn có thể thay thế tất cả các đồng hồ đơn giản, cung cấp độ tin cậy cao hơn với chi phí thấp hơn và yêu cầu độ chính xác thời gian tối thiểu.

Ở dạng hóa học cơ bản, silicon dioxide không thể được sử dụng để điều khiển tần số và phải có cấu trúc đơn tinh thể, trong đó nó thể hiện chất lượng áp điện có thể sử dụng được do dạng không đối xứng của nó.Áp điện (tiếng Hy Lạp là Piezein 'để ép') trong thạch anh đơn tinh thể được phát hiện bởi anh em nhà Curie tại Sorbonne, Paris năm 1880.

Tuy nhiên, phải đến năm 1917, đặc tính này mới được sử dụng trong một ứng dụng thực tế khi giáo sư Langevin ở Pháp và AM Nicolson tại Western Electric thiết kế độc lập bộ thu phát sóng sonar để phát hiện tàu ngầm trên biển.

Nicolson sau đó tiếp tục nộp một số bằng sáng chế cho các ứng dụng sử dụng cả thạch anh và Rochelle Salt.Vật liệu thứ hai này phản ứng mạnh mẽ với sóng âm thanh và kích thích điện và được Nicolson đưa vào thiết kế Microphone, Loa phóng thanh và Máy hát đĩa.Trong khi Nicolson đề xuất việc sử dụng vật liệu điện Piezo để điều khiển tần số của bộ dao động ống chân không thì Tiến sĩ Walter Cady của Đại học Wesleyan là người đã nộp bằng sáng chế đầu tiên cho bộ dao động điều khiển bằng tinh thể vào năm 1923.

Giáo sư GW Pierce của Đại học Harvard đã thực hiện các nghiên cứu sâu hơn về sự phát triển bộ dao động tinh thể vào khoảng thời gian này.Thành tựu chính của Pierce là thiết kế một bộ dao động điều khiển bằng tinh thể chỉ sử dụng một ống chân không và không có mạch điều chỉnh nào khác ngoài chính tinh thể.

Trong suốt đầu những năm 1920, sự phát triển của bộ tạo dao động tinh thể và công nghệ vô tuyến đã tiến triển đều đặn song song với nhau.Các ứng dụng chính của bộ dao động tinh thể trong những ngày đầu tiên này được sử dụng làm tiêu chuẩn thời gian và cho đến khoảng năm 1926, bộ dao động tinh thể mới được sử dụng để điều khiển tần số của máy phát vô tuyến.Điều này đã được thực hiện tại đài phát thanh WEAF ở New York thuộc sở hữu của AT và T.

Bell Telephone Labs trực thuộc AT&T và cùng với Công ty Marconi ở Anh và SEL Đức đã đạt được nhiều phát triển đáng kể trong công nghệ pha lê trong suốt những năm 1930.Năm 1934, Messrs. Lack và Willard tại Bell Labs đã phát hiện ra các tinh thể AT Cut và BT Cut giúp ngành truyền thông cải thiện đáng kể các tinh thể hiệu suất tần số và nhiệt độ.

Các kỹ thuật sản xuất và niêm phong được cải tiến cùng với việc phát hiện ra một họ mới của các vết cắt có bù Ứng suất là một trong số những tiến bộ đã được thực hiện trong thập kỷ qua cùng với quy trình mesa đảo ngược gần đây hơn và thu nhỏ các tinh thể và bộ dao động.

Vật liệu áp điện thể hiện sự tích điện có hướng khi chịu áp lực và ngược lại việc sử dụng điện tích gây ra lực liên quan có hướng được tạo ra bên trong vật liệu.Việc áp dụng điện trường xoay chiều sẽ làm cho vật liệu dao động và sau đó cộng hưởng cơ học.Tần số của bất kỳ cộng hưởng cơ học nào được xác định bởi các kích thước vật lý của vật liệu, 'góc cắt' đối với trục kết tinh của tinh thể đơn tinh thể ban đầu, nhiệt độ môi trường xung quanh và bất kỳ tác động thay đổi nào của các thành phần cơ hoặc điện liên quan.

Các đặc tính của thạch anh kết tinh bao gồm độ ổn định hóa học và cơ học cao và hệ số nhiệt độ thấp, dẫn đến sự thay đổi nhỏ trong tần số cộng hưởng đối với bất kỳ sự thay đổi nào của nhiệt độ môi trường, cùng với Q rất cao khi cộng hưởng.Nó xảy ra tự nhiên và tất cả các công việc thử nghiệm ban đầu đã được thực hiện bằng cách sử dụng thạch anh kết tinh tự nhiên.

Tuy nhiên, thạch anh kết tinh tự nhiên bị lẫn tạp chất, bong bóng, vết nứt và kết tinh, làm giảm giá trị của nó để sử dụng trong điều khiển tần số vì chúng làm giảm hệ số Q.Do đó, việc sản xuất thạch anh tổng hợp đã được thành lập để tạo ra một dạng tinh thể thạch anh tinh khiết không có kết tinh và tạp chất.

Thạch anh tổng hợp được sản xuất trong nồi hấp từ dung dịch bão hòa Si O2 ở khoảng 400 ° C và ở áp suất 1000Kg / cm2 để tạo ra dung dịch siêu bão hòa.

Quá trình sản xuất thạch anh tổng hợp được gọi là phương pháp thủy nhiệt, trong đó các đĩa hạt của thạch anh đơn tinh thể định hướng trước được chuẩn bị lơ lửng trong dung dịch bão hòa và bằng cách giảm nhiệt độ của dung dịch, do đó, sự phát triển của các tinh thể lớn trong điều kiện phòng thí nghiệm được kiểm soát. giảm thiểu tạp chất và tối đa hóa khối lượng hữu ích của vật liệu.

Tốc độ tăng trưởng của vật liệu tổng hợp theo thứ tự từ 1mm mỗi ngày trở xuống để đạt được độ tinh khiết tối đa.Bộ cộng hưởng thạch anh để sử dụng trong các mạch điện tử được sản xuất bằng cách cắt thạch anh tinh thể thành các tấm (hoặc khoảng trống), mạ các điện cực lên mỗi mặt của tấm và bọc bộ cộng hưởng vào một giá đỡ thích hợp.Kích thước của phiến thạch anh về cơ bản xác định tần số của bộ cộng hưởng mặc dù điều này cũng bị ảnh hưởng bởi kích thước và độ dày của các điện cực và mạch điện liên quan.

Định hướng của tấm 'cắt' đối với trục quang tinh thể là rất quan trọng để đạt được độ chính xác của tần số cộng hưởng và hệ số tần số nhiệt độ thấp cần thiết cho khối cộng hưởng cuối cùng.'Cắt' sẽ tạo ra các đặc tính tần số / nhiệt độ là bậc hai (bậc hai) hoặc bậc ba (bậc ba) và do đó các đặc tính sẽ biểu thị các điểm lần lượt đơn hoặc kép.