ผลึกโมโนคริสตัลไลน์

ควอตซ์ที่ใช้ในการผลิตผลิตภัณฑ์ควบคุมความถี่คือผลึกโมโนที่มีรูปหกเหลี่ยมอสมมาตรในทางเคมี ควอตซ์คือซิลิกอนไดออกไซด์ SiO2 ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติเป็นแร่ที่มีมวลมากที่สุดในโลก คิดเป็นประมาณ 14% ของพื้นผิวโลก

ความสำคัญของผลึกโมโนคริสตัลลีนในอุตสาหกรรมอิเล็กทรอนิกส์สมัยใหม่เป็นผลมาจากคุณสมบัติที่ผสมผสานกันของ piezoelectricity ความเสถียรทางกลและทางเคมีสูง Q ที่สูงมากที่เรโซแนนซ์ และวิธีการต้นทุนต่ำที่ทันสมัยในการผลิตระดับความบริสุทธิ์สูงมากในวัสดุสังเคราะห์

ควอตซ์เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในฐานะวัสดุหลักในการควบคุมความถี่ในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ และมีเพียงความแม่นยำในระยะยาวเท่านั้นที่เหนือกว่ามาตรฐานปรมาณูหลัก เช่น ซีเซียมและรูบิเดียม

อย่างไรก็ตาม การพัฒนาล่าสุดของ mems ระบบเครื่องกลไฟฟ้าขนาดเล็ก และ nems ระบบเครื่องกลไฟฟ้านาโน ถูกตั้งค่าให้ปฏิวัติตลาดการควบคุมความถี่ด้วยการรวมนาฬิกาธรรมดาเข้ากับพื้นผิวซิลิกอนที่ใช้สำหรับการผลิต IC

อุปกรณ์ขนาดเล็กเหล่านี้อาจแทนที่นาฬิกาธรรมดาทั้งหมดอย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้ โดยเพิ่มความน่าเชื่อถือด้วยต้นทุนที่ต่ำลง และต้องมีความแม่นยำในการจับเวลาขั้นต่ำ

ในรูปแบบเคมีพื้นฐานไม่สามารถใช้ซิลิกอนไดออกไซด์สำหรับการควบคุมความถี่ได้ และต้องเป็นโครงสร้างผลึกเดี่ยวที่แสดงคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกที่ใช้งานได้เนื่องจากรูปแบบไม่สมมาตรPiezoelectricity (กรีก Piezein 'to press') ในผลึกผลึกเดี่ยวถูกค้นพบโดยพี่น้อง Curie ที่ Sorbonne, Paris 1880

อย่างไรก็ตาม จนกระทั่งปี 1917 ทรัพย์สินนี้ถูกนำไปใช้ในการใช้งานจริง เมื่อศาสตราจารย์ Langevin ในฝรั่งเศสและ AM Nicolson จาก Western Electric ได้ออกแบบเครื่องรับส่งสัญญาณโซนาร์อย่างอิสระสำหรับการตรวจจับเรือดำน้ำในทะเล

ต่อมา Nicolson ได้ยื่นจดสิทธิบัตรหลายฉบับสำหรับการใช้งานทั้งระบบควอตซ์และเกลือ Rochelleวัสดุแบบหลังนี้ตอบสนองต่อคลื่นเสียงและแรงกระตุ้นทางไฟฟ้าอย่างมาก และ Nicolson ได้รวมเอาการออกแบบไมโครโฟน ลำโพง และเครื่องเล่นแผ่นเสียงในขณะที่ Nicolson ได้เสนอให้ใช้วัสดุไฟฟ้า Piezo เพื่อควบคุมความถี่ของออสซิลเลเตอร์หลอดสุญญากาศ Dr. Walter Cady แห่งมหาวิทยาลัย Wesleyan ได้ยื่นสิทธิบัตรครั้งแรกสำหรับออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยคริสตัลในปี 1923

Prof. GW Pierce แห่ง Harvard University ได้ทำการพัฒนา Crystal oscillator เพิ่มเติมในเวลานี้ความสำเร็จหลักของเพียร์ซคือการออกแบบออสซิลเลเตอร์ที่ควบคุมด้วยคริสตัลโดยใช้หลอดสุญญากาศเพียงหลอดเดียวและไม่มีวงจรที่ปรับจูนอื่นใดนอกจากตัวคริสตัลเอง

ในช่วงต้นปี ค.ศ. 1920 การพัฒนาคริสตัลออสซิลเลเตอร์และเทคโนโลยีวิทยุมีความก้าวหน้าอย่างต่อเนื่องการประยุกต์ใช้คริสตัลออสซิลเลเตอร์หลักในช่วงแรกๆ เหล่านี้มีไว้สำหรับใช้เป็นมาตรฐานด้านเวลา และจนกระทั่งราวปี พ.ศ. 2469 คริสตัลออสซิลเลเตอร์ถูกนำมาใช้เพื่อควบคุมความถี่ของเครื่องส่งสัญญาณวิทยุสิ่งนี้ทำที่สถานีวิทยุ WEAF ในนิวยอร์กซึ่ง AT และ T. เป็นเจ้าของ

Bell Telephone Labs ซึ่งเป็นส่วนหนึ่งของ AT&T และร่วมกับ The Marconi Company ในสหราชอาณาจักรและ SEL Germany ประสบความสำเร็จในการพัฒนาเทคโนโลยีคริสตัลที่สำคัญมากมายในช่วงทศวรรษที่ 1930ในปี ค.ศ. 1934 คุณ Willard และ Willard ที่ Bell Labs ได้ค้นพบคริสตัล AT Cut และ BT Cut ซึ่งทำให้อุตสาหกรรมการสื่อสารมีความถี่ที่ดีขึ้นอย่างมากเมื่อเทียบกับคริสตัลแสดงอุณหภูมิ

เทคนิคการปิดผนึกและการผลิตที่ได้รับการปรับปรุง ควบคู่ไปกับการค้นพบการกัดแบบชดเชยความเค้นในตระกูลใหม่เป็นหนึ่งในความก้าวหน้าที่เกิดขึ้นในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา ร่วมกับกระบวนการเมซ่ากลับด้านล่าสุดและการย่อขนาดคริสตัลและออสซิลเลเตอร์

วัสดุเพียโซอิเล็กทริกแสดงประจุไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับทิศทางเมื่ออยู่ภายใต้แรงดัน และในทางกลับกัน การใช้งานของประจุไฟฟ้าทำให้เกิดแรงที่เกี่ยวข้องกับทิศทางขึ้นภายในวัสดุการใช้สนามไฟฟ้ากระแสสลับจะทำให้วัสดุสั่นสะเทือนและสะท้อนกลับทางกลไกในเวลาต่อมาความถี่ของการสั่นพ้องทางกลจะถูกกำหนดโดยขนาดทางกายภาพของวัสดุ 'มุมตัด' ที่สัมพันธ์กับแกนผลึกของผลึกโมโนผลึกดั้งเดิม อุณหภูมิแวดล้อม และผลกระทบจากการปรับเปลี่ยนใดๆ ของส่วนประกอบทางกลหรือทางไฟฟ้าที่เกี่ยวข้อง

คุณสมบัติของผลึกควอตซ์ประกอบด้วยความเสถียรทางเคมีและทางกลสูง และค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิต่ำ ส่งผลให้ความถี่เรโซแนนซ์เปลี่ยนแปลงเล็กน้อยสำหรับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิแวดล้อม ร่วมกับ Q ที่เรโซแนนซ์สูงมากมันเกิดขึ้นตามธรรมชาติและงานทดลองในช่วงแรกทั้งหมดดำเนินการโดยใช้ผลึกควอตซ์ที่ตกผลึกตามธรรมชาติ

อย่างไรก็ตาม ผลึกควอตซ์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาตินั้นได้รับผลกระทบจากสิ่งเจือปน ฟองอากาศ รอยแตก และการรวมเข้าด้วยกัน ซึ่งลดคุณค่าของควอตซ์สำหรับใช้ในการควบคุมความถี่ เนื่องจากสิ่งเหล่านี้ลดปัจจัย Qดังนั้น การผลิตควอตซ์สังเคราะห์จึงถูกสร้างขึ้นเพื่อผลิตผลึกควอตซ์บริสุทธิ์ที่ปราศจากการจับคู่และสิ่งสกปรก

ควอตซ์สังเคราะห์ผลิตขึ้นในหม้อนึ่งความดันจากสารละลายอิ่มตัวของ Si O2 ที่อุณหภูมิประมาณ 400 °C และที่ความดัน 1000Kg/cm2 เพื่อผลิตสารละลายที่มีความอิ่มตัวสูง

กระบวนการผลิตควอตซ์สังเคราะห์เรียกว่าวิธีไฮโดรเทอร์มอล ซึ่งแผ่นเมล็ดพืชที่เตรียมของผลึกโมโนคริสตัลไลน์ที่เตรียมการล่วงหน้าจะถูกระงับในสารละลายอิ่มตัว และโดยการลดอุณหภูมิของสารละลาย การเติบโตของผลึกขนาดใหญ่จะได้รับภายใต้สภาวะที่ควบคุมในห้องปฏิบัติการ ลดสิ่งเจือปนให้น้อยที่สุดและเพิ่มปริมาณวัสดุที่มีประโยชน์สูงสุด

อัตราการเจริญเติบโตของวัสดุสังเคราะห์อยู่ในลำดับ 1 มม. ต่อวันหรือน้อยกว่าเพื่อให้ได้ความบริสุทธิ์สูงสุดเครื่องสะท้อนเสียงแบบควอตซ์สำหรับใช้ในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ผลิตโดยการตัดผลึกควอตซ์เป็นแผ่นเวเฟอร์ (หรือช่องว่าง) การชุบอิเล็กโทรดลงบนแต่ละด้านของแผ่นเวเฟอร์ และหุ้มเรโซเนเตอร์ลงในตัวยึดที่เหมาะสมขนาดของแผ่นเวเฟอร์ควอทซ์เป็นตัวกำหนดความถี่เรโซเนเตอร์ แม้ว่าสิ่งนี้จะได้รับผลกระทบจากขนาดและความหนาของอิเล็กโทรดและวงจรไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องด้วย

การวางแนวของ 'การตัด' ของเวเฟอร์ไปยังแกนออปติคัลแบบผลึกเป็นสิ่งสำคัญ เพื่อให้ได้ความแม่นยำของความถี่เรโซแนนซ์และค่าสัมประสิทธิ์ความถี่อุณหภูมิต่ำที่จำเป็นสำหรับหน่วยเรโซเนเตอร์สุดท้าย'การตัด' จะสร้างลักษณะความถี่/อุณหภูมิซึ่งเป็นลำดับที่สอง (กำลังสอง) หรือลำดับที่สาม (สามส่วน) ดังนั้นลักษณะจะแสดงจุดพลิกกลับแบบเดี่ยวหรือสองครั้ง