SCHWINGQUARZ, DAS REGELUNGSmaterial

SCHWINGQUARZ, DAS REGELUNGSmaterial

1. Einleitung

Quarz ist ein piezoelektrisches Material. Eine dünne Oblate des Quarzes, wenn die Elektroden zu gegenüberliegenden Oberflächen befestigt sind, vibriert mechanisch, wenn Spannung auf die zwei Elektroden zugetroffen wird. Frequenz der Erschütterung ist hauptsächlich eine Funktion von Oblatenmaßen. Die Oblaten, nannten Kristallresonatore, als passend angebracht mit den befestigten Elektroden, sind lang verwendet worden für die Kontrolle von Frequenz von Radioübermittlern, und es ist eine wesentliche Komponente in den Telekommunikationstelekommunikationsgeräten gewesen, in denen seine piezoelektrischen Eigenschaften in den Filtern, in den Oszillatoren und in anderen Geräten benutzt werden. Jetzt Schwingquarzzeit und Signale koordinieren für Mikroprozessoren, Computer, programmierbare Prüfer, Uhren und anderen Digital Equipment wie verschiedenes DSP.

Quarz ist eine kristallene Form des Siliciumdioxids (SiO₂). Es ist ein hartes, spröde, ist transparentes Material mit einer Dichte von 2649 kg/m3 und einem Schmelzpunkt von° 1750 C. Quartz in den gewöhnlichen Säuren, aber im Löslichen in der Fluorwasserstoffsäure und in den heißen Alkalien unlöslich. Wenn Quarz zu 573° C erhitzt wird, seine kristallenen Formänderungen. Die stabile Form über dieser Übergangstemperatur bekannt als Hochquarz oder Beta-quarz, während die stabile Form unter 573° C als Niedrigquarz oder Alphaquarz bekannt. Für Resonatoranwendungen ist nur Alphaquarz vom Interesse und sofern nicht anders angegeben bezieht sich der Ausdruckquarz in der Folge immer auf Alphaquarz. Quarz ist ein reichliches natürliches Material, aber beträchtliche Arbeit wird angefordert, um gute Qualität vom wertlosen natürlichen Quarz zu trennen. Obgleich Silikon (hauptsächlich in Form von Dioxid und im Allgemeinen als kleinen Quarzkristalliten) ungefähr Drittel von der Erdkruste, vom natürlichen Quarz der Größe und von der Qualität, die für Gebrauch in den Geräten passend ist, die seine piezoelektrischen Eigenschaften einsetzen enthält, ist hauptsächlich in Brasilien gefunden worden. Natürlicher Quarz ist auch teuer zu verarbeiten, weil er in den gelegentlichen Formen und in den Größen auftritt. Außerdem werden einige Segmente des wertlosen Quarzes erst nach die teilweise Verarbeitung entdeckt. Und weitverbreitete Verunreinigungen im natürlichen Quarz machen häufig den Schnitt von den kleinen Oblaten unpraktisch. Der erste bedeutende Schritt in der Entwicklung des kultivierten Quarzes war, im Jahre 1936 als das AMERIKANISCHE Armee-Signal-Korps einen Vertrag gab, um Labors unter Leitung TEA zu bürsten. Jaffe, gesund und Sawyer. Dieses lag an der schwebenden Knappheit des natürlichen Quarzes mit guter piezoelektrischer Qualität getanes, gewöhnlich gekauft von Brasilien.

Heute wird Quarz jetzt künstlich auf spezifizierte Maße gewachsen. Kristallrichtung wird gesteuert und Reinheit ist gleichmäßig hoch. Standardgrößen verringern die Kosten des Schnitts von Oblaten, und die Verunreinigungen werden weit zerstreut und machen die möglichen kleinen Resonatore, die niedrige treibende Macht erfordern.

2. Der grundlegender Wachstumsprozess kultivierte Quarz

Kultivierter Quarz wird in einem großen Druckbehälter gewachsen, der als ein Autoklav bekannt ist (sehen Sie die folgende schematische Zeichnung). Der Autoklav ist ein Metallzylinder, geschlossen bei einem Ende, das zu Druck bis 30.000 Pfund pro Quadratzoll mit interner Temperatur von 700 bis 800° F. widerstehen fähig ist. Er steht normalerweise von die 12 bis 20 Fuß hohen und 2 bis 3 Füße im Durchmesser.

Die kleinen Chips des reinen aber UNO-gesichtigen Quarzes (1 bis 1,5 Zoll an Größe), genannt „lascas oder Nährstoff“, werden in einen Maschendrahtkorb gelegt und gesenkt in die untere Hälfte des Schiffes. Eine Stahlplatte mit den vorarrangierten Löchern, genannt ein „Leitblech“, wird auf den Korb eingestellt. Das Leitblech wird, um die Region des Wachstums (Samen) und die Nährregion zu trennen, benutzt und zu helfen, ein Temperaturdifferenzial zwischen den zwei Regionen herzustellen. Die passend orientierten einzelnen Kristallplatten (entweder natürlich oder gezüchtet), genannt „Samen“, werden an einem Gestell angebracht und verschoben auf das Leitblech in der Hälfte des Schiffes. Der Autoklav wird dann mit einer wässrigen alkalischen Lösung (Natriumkarbonat oder Natriumhydroxid) bis ungefähr 80% seines Totraums gefüllt, um zukünftige flüssige Expansion zuzulassen, und er wird mit einer Hochdruckschließung versiegelt. Der Autoklav wird dann zu Betriebstemperatur durch eine Reihe widerstrebende Heizungen geholt, die zum Außenumfang des Zylinders befestigt werden. Als die Temperaturanstiege fängt der Druck an, innerhalb des Autoklavs zu errichten. Eine Temperatur von 700 bis 800° F wird in der unteren Hälfte des Schiffes erreicht, während die Spitzenhälfte bei 70 bis 80 Kühlvorrichtung des° F als die untere Hälfte aufrechterhalten wird.

Am Funktionierendruck und -temperatur löst sich die lascas in der erhitzten Lösung in der unteren Hälfte des Schiffes auf, das dann steigt. Während es die kühlere Temperatur des oberen Teiles des Schiffes erreicht, wird die Lösung übersättigt und veranlaßt den aufgelösten Quarz innerhalb der lascas, auf den Samen umzukristallisieren. Die abgekühlte verbrauchte Lösung geht dann zur unteren Hälfte des Schiffes zurück, um den Zyklus bis die lascas zu wiederholen wird verbraucht und die kultivierten Quarzsteine haben die gewünschte Größe erreicht. Dieses so genannte Zeitenfolgen „des hydrothermalen Prozesses“ von 25 bis 365 Tage, abhängig von der gewünschten Steingröße, den Eigenschaften und der Prozessart – Natriumhydroxid oder Natriumkarbonat.

3. Symmetrie, Paaren und Größe des Schwingquarzes

Alpha-Quarz gehört der kristallographischen Klasse 32, und es ist ein sechseckiges Prisma mit sechs Kappengesichtern an jedem Ende. Die Prismagesichter werden Mgesichter gekennzeichnet und die Kappengesichter werden R und Rgesichter gekennzeichnet. Die R-Gesichter werden häufig bedeutende Rautengesichter genannt und die Rgesichter sind geringe Rautengesichter.  treten linke und rechte Kristalle natürlich auf und können durch die Position der s- und x-Gesichter unterschieden werden.

Wie in der oben genannten schematischen Zeichnung gezeigt hat Alphaquarzkristall eine einzelne Achse der dreifachen Symmetrie (trigonal Achse), und er hat drei Äxte zweifache Symmetrie (digonal behaut), die zu dieser trigonal Achse senkrecht ist. Die digonal Äxte sind Raum-120° auseinander und sind polare Äxte, d.h. kann eine bestimmte Richtung ihnen zugewiesen werden. Das Vorhandensein von polaren Äxten bedeutet das Fehlen von einer Mittelsymmetrie und ist notwendige Bedingung für das Bestehen des Piezoeffektes. Die digonal Äxte sind alias die elektrischen Äxte des Quarzes (x, Yachse). Im Kristall mit völlig entwickelten natürlichen Gesichtern, können die zwei Enden jeder polaren Achse durch das Vorhandensein oder das Fehlen der s- und x-Gesichter unterschieden werden. Wenn Druck in Richtung der elektrischen Achse angewendet wird, wird eine negative Ladung an diesem Ende der Achse entwickelt, die durch diese Gesichter geändert wird. Die trigonal Achse, alias die Optikachse (z-Achse), ist nicht polar, da das Vorhandensein von digonal Äxten, die zu ihm normal sind, bedeutet, dass die zwei Ziele der trigonal Achse gleichwertig sind. Folglich kann keine piezoelektrische Polarisation entlang Optikachse produziert werden.  In den rechteckigen Koordinatensystemen ist die Zachse zum m-Prisma gegenüberstellt parallel. Eine Platte des Quarzes geschnitten mit seinem bedeutenden Oberflächensenkrechten zur Xachse wird eine X-geschnittene Platte genannt. Den Schnitt drehend, gibt 90 Grad über die Zachse eine Y-geschnittene Platte mit der Yachse jetzt, die zur bedeutenden Oberfläche senkrecht ist. Da ein Schwingquarz sechs Prismagesichter hat, existieren drei Wahlen für das x und die Yachse. Die Auswahl ist willkürlich; jedes benimmt sich identisch.

Quarz ist ein optisch aktives Material. Wenn ein Strahl des Fläche-polarisierten Lichtes entlang die Optikachse übertragen wird, tritt eine Rotation der Polarisationsebene auf, und die Menge, welche die Rotation vom Abstand abhängt, überquerte in das Material. Die Richtung der Rotation kann verwendet werden, um zwischen den zwei natürlich vorkommenden Formen des Alphaquarzes zu unterscheiden bekannt als linker Quarz und rechter Quarz. Im linken Quarz dreht sich die Polarisationsebene entgegen dem Uhrzeigersinn, wenn sie durch einen Beobachter gesehen wird, der in Richtung der Lichtquelle blickt, und im rechten Quarz dreht sich sie nach rechts. Der meiste kultivierte produzierte Quarz ist rechter Quarz, während im natürlichen links- und rechtemquarz ungefähr gleichmäßig verteilt werden. Jede Form kann in der Fertigung von Resonatoren ebenso gut benutzt werden, aber Material in, welchen linken und rechten Formen gemischt werden, die optisch gepaartes Material genannt wird, kann nicht benutzt werden. Andererseits elektrisch gepaartes Material ist alle gleiche Hand, aber enthält die Regionen, in denen die Richtung der elektrischen Achse aufgehoben wird und so verringert den Gesamtpiezoeffekt. Solches Material ist auch nicht für Resonatoranwendung passend. Das Vorhandensein von paarenden und anderen Defekten im natürlichen Schwingquarz ist der Hauptgrund für den Mangel an passendes natürliches Material, und das Fehlen des bedeutenden Paarens in kultiviertem Quarz setzt einen seiner Hauptvorteile fest. Wenn Alphaquarz zu über 573° C erhitzt wird, die kristallenen Formänderungen an der des Beta-quarzes, der sechseckiges eher als trigonal Symmetrie hat. Auf Kühlung durch 573° C, schaltet das Material zum Alphaquarz um, aber im allgemeinen wird gefunden zu elektrisch gepaart. Aus dem gleichen Grunde können die Anwendung des großem Thermal oder die mechanischen Belastungen das Paaren verursachen, also ist es im Resonator notwendig, der verarbeitet, um irgend solche thermische oder mechanische Schocks zu vermeiden.

Nachdem man von einem Autoklav entfernt worden ist, in dem sie produziert wurden, werden kultivierte Schwingquarze, durch das Reiben, in so genannte abgeholzte Stangen umgewandelt. Diese sind die langen, rechteckigen Stangen, die für folgenden Ausschnitt in Oblaten für Resonatore passend sind. Abgeholzte Stangen sind gewöhnlich 6 bis 8 Zoll lang, aber Nutzlänge ist ungefähr 5 bis 6 Zoll, weil Material nahe den Enden unbrauchbar ist. Längere Stangen können gewachsen werden, aber diese erfordern längere Samen, dessen Kosten Zunahmen schnell mit Länge. Höhe von abgeholzten Stangen ist im Allgemeinen ungefähr zweimal die Breite, weil zwei Wafers normalerweise von jeder Scheibe geschnitten werden. Zahlreiche Standard-groß abgeholzte Stange sind verfügbar, und Quarz kann zu spezifizierten Maßen auch gewachsen werden und gerieben werden.

4. Chemische Verunreinigungen im Schwingquarz

kultivierter und natürlicher Quarz, chemische Verunreinigungen zu enthalten, die Resonatorleistung beeinflussen können. Chemische Verunreinigungen sind die, die chemische Bindungen mit Silikon und Sauerstoff im Quarz bilden. Aluminium, Eisen, Wasserstoff und Fluor sind typische chemische Verunreinigungen. Sie werden zu einem viel untergeordneten in kultiviertem Quarz als das gehalten, das häufig im natürlichen Quarz gefunden wird. Jedoch werden chemische Verunreinigungen nicht gleichmäßig in kultivierten Quarz verteilt. Die +x, das - x, die z-Regionen und so genannten die s-Regionen, die sich gelegentlich bilden, enthalten verschiedene Niveaus von chemischen Verunreinigungen. Die zwei z-Regionen enthalten die wenige Menge von Verunreinigungen. Die +x-Region enthält mehr Verunreinigungen, dass die z-Region und die Region des - x hat, dennoch mehr Verunreinigungen. Dichte von Verunreinigungen in den s-Regionen, die im Allgemeinen klein sind, ist zwischen der in den z-Regionen und der in der +x-Region. Wenn breite Samen für das Züchten benutzt werden, sind die z-Regionen einer abgeholzten Stange groß und die +x- und --x Regionen sind klein. Wenn schmal, werden weniger teure Samen benutzt, sind die z-Regionen kleiner und die größeren +x- und --x Regionen. Im allgemeinen können die chemischen Verunreinigungen Ergebnis in der Resonatorleistung wie Strahlungshärte, Anfälligkeit zu twining, kurzfristigem Oszillator und Langzeitstabilität und Filterverlust vermindern.

5. Resonator Q und Kristall Q

Der q-Wert eines Kristallresonators ist das Verhältnis von Energie gespeichert zur Energie verlor während eines Zyklus:

Q-º 2p Energie, die während eines Zyklus/einer Energie gespeichert wurde, verlor während eines Zyklus

Der Wert ist wichtig, weil es eine Maßnahme der Macht ist, die erfordert wird, um den Resonator zu fahren. Das Q ist hauptsächlich eine Funktion der Atmosphäre, in der ein Resonator funktioniert, der Oberflächenunvollkommenheit, der mechanischen Zubehöre und anderer Faktoren, resultierend aus der Verarbeitung und der Befestigung der Resonatore.

Quarz holzte Stangen auch werden zugewiesen einen q-Wert ab, aber das Q für eine Quarzstange basiert nicht auf einer direkten Messung von Energie gespeichert und Energie verlor. Stattdessen ist das Q einer Quarzstange eine Leistungszahl, die auf Verunreinigungen in der Stange basiert. Chemische Verunreinigungen in kultiviertem Quarz werden gemessen, indem man ein Infrarotlicht durch die z-Regionen in einer Querschnittsscheibe einer abgeholzten Stange verweist. Der Unterschied bezüglich der Beförderung bei zwei spezifischen Wellenlängen (3.500 Nanometer und 3.800 Nanometer) wird gemessen und q-Wert wird berechnet von diesen Daten. Der Quarz, der ein hohes Q hat, enthält weniger Verunreinigung als die mit niedrigem Q, und „Infrarotq-“ Maße, pro UVP-Standard 477-1, werden routinemäßig von den Quarzzüchtern und -benutzern als Indikator der Quarzqualität verwendet.

Der Wert von Q für einen Resonator ist im Allgemeinen nicht zu dem für die Quarzstange identisch, von der der Resonator geschnitten wurde. Jedoch kann das Q eines Resonators betroffen sein, wenn Q der Quarzstange unterhalb eines kritischen Niveaus ist. Ein q-Wert von 1,8 Million oder ein höheres für kultivierten Quarz ist ein Anzeichen, dass chemische Verunreinigungen kein Faktor im abschließenden Q eines Resonators für die meisten Anwendungen sind. Der Quarz, der solche Werte für Q hat, wird im Allgemeinen elektronischen Grad genannt (Grad C). Erstklassiger Gradquarz hat ein Q von 2,2 Million (Grad B) und spezielle Prämie hat ein Q von 3,0 Million (Grad A). Es ist wichtig, das zu berücksichtigen, das der q-Wert für kultivierten Quarz auf Verunreinigungen nur in der z-Region basiert. Deshalb sogar wo Kristallq für eine Anwendung ausreichend ist, können Resonator Q und Frequenz gegen Temperaturverhalten nachteilig beeinflußt werden, wo der aktive Teil (zwischen den Elektroden) eines Resonators +x, - x oder s-Regionsmaterial umfasst.

Die Schwingquarzoblaten, die nur Zregionsmaterial enthalten, können nur von den Stangen erfolgreich geschnitten werden, die von den breiten Samen gewachsen werden, die verhältnismäßig teuer sind. Glücklicherweise decken Elektroden selten die gesamte Fläche einer Resonatoroblate ab, und die Verunreinigungen, die in +x, in - x oder in s-Region enthalten werden, nicht nachteilig beeinflußt Resonatoroperation wenn dieses materielle Lüge der Verunreinigung außerhalb des aktiven Teils. So können Resonatore für die meisten Anwendungen den Quarz benutzen, der von einem verhältnismäßig billigen schmalen Samen gewachsen wird.

6. Zusammenfassung

Der piezoelektrische Schwingquarz, entdeckt im Jahre 1880 durch die berühmten Curiepaare und zu den hohen Kosten von rau-gehauenem natürlichem Kristall einmal erhalten, wird jetzt künstlich durch einen Prozess gewachsen, der Kristalle des Sollmaßes und der Reinheit produziert. Dieser kultivierte Quarz hat die Kosten gesenkt und die Größe von den Resonatoren verringerte, die auf dem TIMING von heutigen Digitalschaltungen kritisch sind.