QUARTZ CRYSTAL, VẬT LIỆU THỜI GIAN

QUARTZ CRYSTAL, VẬT LIỆU THỜI GIAN

1. Giới thiệu

Thạch anh là một vật liệu áp điện.Một phiến mỏng bằng thạch anh, với các điện cực gắn vào các bề mặt đối lập, dao động cơ học khi đặt điện áp vào hai điện cực.Tần số rung động chủ yếu là một hàm của kích thước wafer.Các tấm wafer, được gọi là bộ cộng hưởng tinh thể khi được gắn phù hợp với các điện cực được gắn vào, từ lâu đã được sử dụng để điều khiển tần số của máy phát vô tuyến và nó đã trở thành một thành phần thiết yếu trong thiết bị thông tin liên lạc viễn thông nơi đặc tính áp điện của nó được sử dụng trong các bộ lọc, bộ dao động và các thiết bị khác.Giờ đây, các tinh thể thạch anh phát tín hiệu thời gian và tọa độ cho bộ vi xử lý, máy tính, bộ điều khiển lập trình, đồng hồ và các thiết bị kỹ thuật số khác như DSP khác nhau.

Thạch anh là một dạng tinh thể của silicon dioxide (SiO₂).Nó là một vật liệu cứng, giòn, trong suốt với mật độ 2649 kg / m³và điểm nóng chảy là 1750°C. Thạch anh không tan trong axit thường, nhưng tan trong axit flohidric và trong kiềm nóng.Khi thạch anh được nung nóng đến 573°C, dạng tinh thể của nó thay đổi.Dạng ổn định trên nhiệt độ chuyển tiếp này được gọi là thạch anh cao hoặc thạch anh beta, trong khi dạng ổn định dưới 573°C được gọi là thạch anh thấp hoặc thạch anh alpha.Đối với các ứng dụng máy cộng hưởng, chỉ thạch anh alpha được quan tâm và trừ khi có quy định khác, thuật ngữ thạch anh trong phần tiếp theo luôn đề cập đến thạch anh alpha.Thạch anh là một nguyên liệu tự nhiên dồi dào, nhưng cần nhiều lao động để tách chất lượng tốt khỏi thạch anh tự nhiên kém chất lượng.Mặc dù silic (chủ yếu ở dạng điôxít, và nói chung là các tinh thể thạch anh nhỏ) chiếm khoảng 1/3 vỏ trái đất, thạch anh tự nhiên có kích thước và chất lượng phù hợp để sử dụng trong các thiết bị sử dụng đặc tính áp điện của nó, chủ yếu được tìm thấy ở Brazil.Thạch anh tự nhiên cũng tốn kém để xử lý vì nó có hình dạng và kích thước ngẫu nhiên.Hơn nữa, một số phân đoạn của thạch anh kém chất lượng chỉ được phát hiện sau khi xử lý một phần.Và các tạp chất phổ biến trong thạch anh tự nhiên thường làm cho việc cắt các phiến nhỏ không thực tế.Bước quan trọng đầu tiên trong sự phát triển của thạch anh nuôi cấy là vào năm 1936 khi Quân đoàn Tín hiệu Quân đội Hoa Kỳ ký hợp đồng với Phòng thí nghiệm Brush dưới sự chỉ đạo của Tiến sĩ.Jaffe, Hale và Sawyer.Điều này được thực hiện do sự khan hiếm của thạch anh tự nhiên với chất lượng áp điện tốt, thường được mua từ Brazil.

Ngày nay, thạch anh được trồng nhân tạo theo các kích thước xác định.Định hướng tinh thể được kiểm soát và độ tinh khiết đồng đều cao.Kích thước tiêu chuẩn làm giảm chi phí cắt tấm wafer, và các tạp chất được phân tán rộng rãi, tạo ra các bộ cộng hưởng nhỏ có thể yêu cầu công suất truyền động thấp.

2. Quy trình cơ bản của việc nuôi cấy thạch anh

Thạch anh nuôi cấy được nuôi trong một bình áp suất lớn được gọi là nồi hấp (xem hình vẽ sơ đồ sau).Nồi hấp là một hình trụ kim loại, được đóng ở một đầu, có khả năng chịu áp suất lên đến 30.000 pound trên inch vuông với nhiệt độ bên trong từ 700 đến 800°F. Nó thường cao từ 12 đến 20 feet và đường kính từ 2 đến 3 feet.

Những mảnh thạch anh nhỏ tinh khiết nhưng không có mặt (kích thước từ 1 đến 1,5 inch), được gọi là "lascas hoặc chất dinh dưỡng", được đặt trong một giỏ lưới thép và hạ xuống nửa dưới của bình.Một tấm thép có các lỗ được bố trí trước, được gọi là "vách ngăn", được đặt trên đầu của giỏ.Vách ngăn được sử dụng để ngăn cách vùng sinh trưởng (hạt giống) và vùng dinh dưỡng, đồng thời giúp thiết lập sự chênh lệch nhiệt độ giữa hai vùng.Các tấm đơn tinh thể được định hướng thích hợp (tự nhiên hoặc nuôi cấy), được gọi là "hạt giống", được gắn trên giá và treo trên đỉnh của vách ngăn ở nửa trên của bình.Sau đó, nồi hấp được đổ đầy dung dịch kiềm trong nước (Natri Cacbonat hoặc Natri Hydroxit) đến xấp xỉ 80% thể tích tự do của nó để cho phép chất lỏng giãn nở trong tương lai, và nó được bịt kín bằng một nắp đậy áp suất cao.Sau đó, nồi hấp được đưa đến nhiệt độ hoạt động bằng một loạt các bộ gia nhiệt điện trở gắn vào chu vi bên ngoài của hình trụ.Khi nhiệt độ tăng, áp suất bắt đầu hình thành trong nồi hấp.Nhiệt độ từ 700 đến 800°F đạt được ở nửa dưới của bình trong khi nửa trên được duy trì ở 70 đến 80°F lạnh hơn nửa dưới.

Ở áp suất và nhiệt độ hoạt động, các tia laser hòa tan trong dung dịch được đun nóng ở nửa dưới của bình, sau đó sẽ tăng lên.Khi nó đạt đến nhiệt độ mát hơn của phần trên của bình, dung dịch trở nên quá bão hòa, khiến thạch anh hòa tan trong các hạt lascas kết tinh lại thành hạt.Sau đó, dung dịch đã qua sử dụng được làm nguội sẽ quay trở lại nửa dưới của bình để lặp lại chu trình cho đến khi cạn kiệt lascas và những viên đá thạch anh được nuôi cấy đã đạt được kích thước mong muốn.Thời gian được gọi là "Quá trình thủy nhiệt" này dao động từ 25 đến 365 ngày, tùy thuộc vào kích thước, đặc tính và loại quy trình mong muốn của đá - Natri Hydroxit hoặc Natri Cacbonat.

3. Đối xứng, ghép đôi và kích thước của tinh thể thạch anh

Thạch anh alpha thuộc nhóm tinh thể học 32, và nó là một lăng kính hình lục giác với sáu mặt nắp ở mỗi đầu.Các mặt của lăng trụ được chỉ định là m mặt và các mặt của nắp được chỉ định là R và r.Các mặt R thường được gọi là mặt hình thoi chính và mặt r là mặt hình thoi phụ.Cả tinh thể bên trái và bên phải đều xuất hiện tự nhiên và có thể được phân biệt bằng vị trí của các mặt S và X.

Như thể hiện trong hình vẽ trên, tinh thể thạch anh alpha có một trục đối xứng ba lần (trục tam giác) và nó có ba trục đối xứng hai lần (trục digonal) vuông góc với trục tam giác đó.Các trục digonal được đặt cách nhau 120 ° và là các trục cực, nghĩa là, một cảm giác xác định có thể được gán cho chúng.Sự hiện diện của các trục cực có nghĩa là thiếu đối xứng tâm và là điều kiện cần thiết cho sự tồn tại của hiệu ứng áp điện.Các trục digonal còn được gọi là các trục điện của thạch anh (trục x-, y).Trong tinh thể có các mặt tự nhiên đã phát triển đầy đủ, hai đầu của mỗi trục cực có thể được phân biệt bằng sự có mặt hoặc vắng mặt của các mặt S và X.Khi áp lực được đặt theo hướng của trục điện, một điện tích âm được phát triển ở đầu đó của trục được biến đổi bởi các mặt này.Trục tam giác, còn được gọi là trục quang (trục z), không phải là cực, vì sự hiện diện của các trục tiêu chuẩn đối với nó ngụ ý rằng hai đầu của trục tam giác là tương đương.Do đó không có sự phân cực áp điện nào có thể được tạo ra dọc theo trục quang.Trong các hệ trục tọa độ hình chữ nhật, trục z song song với m mặt lăng trụ.Một tấm thạch anh được cắt với bề mặt chính của nó vuông góc với trục x được gọi là tấm cắt X.Xoay vết cắt 90 độ về trục z sẽ tạo ra một tấm cắt Y với trục y hiện vuông góc với bề mặt chính.Vì một tinh thể thạch anh có sáu mặt lăng kính, nên ba lựa chọn tồn tại cho trục x và y.Việc lựa chọn là tùy ý;mỗi hành vi giống nhau.

Thạch anh là một vật liệu hoạt động về mặt quang học.Khi một chùm ánh sáng phân cực phẳng truyền dọc theo trục quang, sẽ xảy ra chuyển động quay của mặt phẳng phân cực, và lượng chuyển động quay phụ thuộc vào khoảng cách truyền qua vật liệu.Cảm giác quay có thể được sử dụng để phân biệt giữa hai dạng thạch anh alpha tự nhiên được gọi là thạch anh trái và thạch anh phải.Trong thạch anh bên trái, mặt phẳng phân cực quay ngược chiều kim đồng hồ khi người quan sát nhìn thấy khi nhìn về phía nguồn ánh sáng, và ở thạch anh bên phải, nó quay theo chiều kim đồng hồ.Hầu hết thạch anh nuôi cấy được sản xuất là thạch anh phải, trong khi thạch anh trái và phải tự nhiên được phân bổ đều.Cả hai dạng đều có thể được sử dụng tốt như nhau trong sản xuất bộ cộng hưởng, nhưng không thể sử dụng vật liệu có dạng bên trái và bên phải được trộn lẫn, được gọi là vật liệu kết hợp quang học, không thể được sử dụng.Mặt khác, tất cả các vật liệu liên kết điện đều giống nhau, nhưng chứa các vùng mà cảm giác của trục điện bị đảo ngược, do đó làm giảm hiệu ứng áp điện tổng thể.Vật liệu như vậy cũng không thích hợp cho ứng dụng bộ cộng hưởng.Sự hiện diện của quá trình kết tinh và các khuyết tật khác trong tinh thể thạch anh tự nhiên là lý do chính dẫn đến sự thiếu hụt vật liệu tự nhiên phù hợp và sự thiếu vắng sự kết tinh đáng kể trong thạch anh nuôi cấy tạo thành một trong những lợi thế chính của nó.Khi thạch anh alpha được nung nóng lên trên 573°C, dạng tinh thể chuyển thành dạng của thạch anh beta, có dạng đối xứng lục giác chứ không phải tam giác.Khi hạ nhiệt đến 573°C, vật liệu hoàn nguyên thành thạch anh alpha, nhưng nói chung sẽ được phát hiện là kết hợp điện.Đồng thời, việc áp dụng các ứng suất nhiệt hoặc cơ học lớn có thể tạo ra sự kết đôi, vì vậy cần phải xử lý bộ cộng hưởng để tránh bất kỳ cú sốc nhiệt hoặc cơ học nào như vậy.

Sau khi được lấy ra khỏi nồi hấp trong đó chúng được sản xuất, các tinh thể thạch anh nuôi cấy được chuyển đổi, bằng cách mài, thành cái gọi là thanh có số.Đây là những thanh dài, hình chữ nhật, thích hợp để cắt thành các tấm tiếp theo cho bộ cộng hưởng.Các thanh được đánh số thường dài từ 6 đến 8 inch, nhưng chiều dài sử dụng được là khoảng 5 đến 6 inch vì vật liệu ở gần các đầu không sử dụng được.Có thể trồng những thanh dài hơn, nhưng những thanh này cần hạt dài hơn, chi phí tăng nhanh theo chiều dài.Chiều cao của các thanh được đánh số thường xấp xỉ gấp đôi chiều rộng vì hai tấm wafer thường được cắt ra từ mỗi lát.Có sẵn nhiều thanh số có kích thước tiêu chuẩn, và thạch anh cũng có thể được trồng và mài theo các kích thước xác định.

4. Tạp chất hóa học trong tinh thể thạch anh

Cả thạch anh nuôi cấy và thạch anh tự nhiên đều chứa các tạp chất hóa học có thể ảnh hưởng đến hiệu suất của bộ cộng hưởng.Tạp chất hóa học là những tạp chất tạo liên kết hóa học với silic và oxy trong thạch anh.Nhôm, sắt, hydro và flo là những tạp chất hóa học điển hình.Chúng được giữ ở mức độ thấp hơn nhiều trong thạch anh nuôi cấy so với mức thường thấy trong thạch anh tự nhiên.Tuy nhiên, các tạp chất hóa học không phân bố đều trong thạch anh nuôi cấy.Dấu + x,-các vùng x, z và cái gọi là vùng s mà thỉnh thoảng hình thành, chứa các mức tạp chất hóa học khác nhau.Hai vùng z chứa ít tạp chất nhất.Vùng + x chứa nhiều tạp chất hơn vùng z và-vùng x có nhiều tạp chất hơn.Mật độ tạp chất trong vùng s, nói chung là nhỏ, nằm giữa mật độ trong vùng z và vùng + x.Khi các hạt rộng được sử dụng để nuôi cấy, các vùng z của một thanh được đánh số sẽ lớn và dấu + x và-x vùng nhỏ.Khi sử dụng hạt giống hẹp, ít tốn kém hơn, các vùng z nhỏ hơn và + x và-x vùng lớn hơn.Nói chung, các tạp chất hóa học có thể làm giảm hiệu suất của bộ cộng hưởng như độ cứng bức xạ, tính dễ bị xoắn, độ ổn định của bộ dao động trong thời gian ngắn và dài hạn, và mất bộ lọc.

5. Bộ cộng hưởng Q và tinh thể Q

Giá trị Q của bộ cộng hưởng tinh thể là tỷ số giữa năng lượng tích trữ và năng lượng mất đi trong một chu kỳ:

Qº2PNăng lượng được lưu trữ trong một chu kỳ / Năng lượng bị mất trong một chu kỳ

Giá trị này rất quan trọng vì nó là thước đo công suất cần thiết để điều khiển bộ cộng hưởng.Q chủ yếu là một hàm của bầu không khí trong đó bộ cộng hưởng hoạt động, sự không hoàn hảo trên bề mặt, các phụ kiện cơ học và các yếu tố khác do quá trình xử lý và lắp đặt bộ cộng hưởng.

Các thanh số bằng thạch anh cũng được gán giá trị Q, nhưng Q cho thanh thạch anh không dựa trên phép đo trực tiếp năng lượng được lưu trữ và năng lượng bị mất.Thay vào đó, Q của một thanh thạch anh là một con số tính công dựa trên các tạp chất trong thanh.Các tạp chất hóa học trong thạch anh nuôi cấy được đo bằng cách chiếu ánh sáng hồng ngoại qua các vùng z trong một lát cắt ngang của một thanh có số.Sự khác biệt về độ truyền qua ở hai bước sóng cụ thể (3.500 nm và 3.800 nm) được đo và giá trị Q được tính toán từ những dữ liệu này.Thạch anh có Q cao chứa ít tạp chất hơn so với những loại có Q thấp và phép đo "Q hồng ngoại", theo Tiêu chuẩn EIA 477-1, được người trồng và người sử dụng thạch anh thường xuyên sử dụng như một chỉ số về chất lượng thạch anh.

Giá trị của Q đối với bộ cộng hưởng nói chung không giống với giá trị của thanh thạch anh mà từ đó bộ cộng hưởng bị cắt.Tuy nhiên, Q của bộ cộng hưởng có thể bị ảnh hưởng khi Q của thanh thạch anh dưới mức tới hạn.Giá trị AQ từ 1,8 triệu trở lên đối với thạch anh nuôi cấy là một dấu hiệu cho thấy tạp chất hóa học sẽ không phải là yếu tố trong Q cuối cùng của bộ cộng hưởng cho hầu hết các ứng dụng.Thạch anh có các giá trị như vậy đối với Q thường được gọi là cấp điện tử (Cấp C).Loại thạch anh cao cấp có Q là 2,2 triệu (Hạng B), và loại cao cấp đặc biệt có Q là 3,0 triệu (Hạng A).Điều quan trọng cần lưu ý là giá trị Q đối với thạch anh nuôi cấy chỉ dựa trên các tạp chất trong vùng z.Do đó, ngay cả khi tinh thể Q đủ cho một ứng dụng, bộ cộng hưởng Q và hành vi tần số so với nhiệt độ có thể bị ảnh hưởng bất lợi khi phần hoạt động (giữa các điện cực) của bộ cộng hưởng bao gồm + x,-x, hoặc s vùng vật liệu.

Các tấm tinh thể thạch anh chỉ chứa vật liệu vùng z có thể được cắt thành công chỉ từ các thanh được trồng từ hạt rộng, tương đối đắt tiền.May mắn thay, các điện cực hiếm khi bao phủ toàn bộ diện tích bề mặt của tấm lót cộng hưởng và các tạp chất có trong + x,-Vùng x, hoặc s không ảnh hưởng xấu đến hoạt động của bộ cộng hưởng khi các vật liệu tạp chất này nằm bên ngoài phần hoạt động.Do đó, bộ cộng hưởng cho hầu hết các ứng dụng có thể sử dụng thạch anh được trồng từ một loại hạt hẹp tương đối rẻ.

6. Tóm tắt

Tinh thể thạch anh áp điện, được phát hiện vào năm 1880 bởi cặp vợ chồng Curie nổi tiếng và từng thu được với chi phí cao từ tinh thể tự nhiên được đẽo thô, hiện được nuôi cấy nhân tạo bằng một quy trình tạo ra các tinh thể có kích thước và độ tinh khiết nhất định.Loại thạch anh nuôi cấy này đã hạ giá thành và giảm kích thước của các bộ cộng hưởng quan trọng đối với thời gian của các mạch kỹ thuật số ngày nay.