Quartz monocristallin

Le quartz utilisé dans la fabrication des produits de contrôle de fréquence est cristallin mono d'une forme hexagonale asymétrique. Chimiquement, le quartz est le silice, SiO2 se produisant naturellement comme minerai bundant sur terre, constituant approximativement 14% de la surface terrestre.

L'importance du quartz cristallin mono dans l'industrie électronique moderne est le résultat de ses propriétés combinées de piézoélectricité, stabilité mécanique et chimique élevée, Q très élevé à la résonance et méthodes modernes de coût bas de produire extrêmement des hauts niveaux de la pureté en matériel synthétique.

Le quartz est maintenant indispensable comme matériel principal pour la fréquence de contrôle dans le matériel électronique et est seulement surpassé pour l'exactitude à long terme par des normes atomiques primaires telles que le césium et le rubidium.

Néanmoins le développement récent des mems, des électro systèmes mécaniques micro, et des nems, systèmes mécaniques de nano-électro, est placé pour révolutionner le marché de contrôle de fréquence avec l'intégration des horloges simples dans les substrats de silicium utilisés pour la fabrication d'IC.

Ces dispositifs miniatures peuvent inévitablement remplacer toutes les horloges simples fournissant la fiabilité supplémentaire à plus peu coûteux et où l'exactitude de synchronisation minimum est une condition.

Sous sa forme chimique de base le silice ne peut pas être employé pour le contrôle de fréquence et doit être de la structure cristalline mono en laquelle il montre des qualités piézoélectriques utilisables dues à sa forme asymétrique. La piézoélectricité (Piezein grec “à presser ") en quartz cristallin mono a été découverte par les frères de curie chez le Sorbonne, Paris 1880.

Cependant ce n'était pas jusqu'en 1917 que cette propriété a été utilisée dans une application pratique quand professeur Langevin en France et A.M. Nicolson chez Western Electric a indépendamment conçu des émetteurs-récepteurs de sonar pour la détection des sous-marins en mer.

Nicolson plus tard a continué pour classer un certain nombre de brevets pour des applications utilisant le quartz et la Rochelle Salt. Ce dernier matériel a répondu fortement aux ondes sonores et au stimulus électrique et a été incorporé par Nicolson aux conceptions pour des collectes de microphones, de haut-parleurs et de phonographe. Tandis que Nicolson avait proposé l'utilisation des matériaux électriques piézo-électriques pour commander la fréquence d'un oscillateur de tube électronique c'était Dr. Walter Cady de l'université wesleyenne qui a classé les premiers brevets pour les oscillateurs commandés en cristal en 1923.

Prof. G.W. Pierce d'Université d'Harvard a mené à bien d'autres travaux sur le développement d'oscillateur à cristal à environ cette fois. L'accomplissement principal de Pierce était la conception d'un oscillateur commandé en cristal utilisant seulement un de tube électronique et aucun circuits accordés autres que le cristal lui-même.

Pendant le développement et la technologie par radio d'oscillateur à cristal de début des années 1920 a progressé de façon constante côte à côte. Les demandes principales d'oscillateurs à cristal pendant ces débuts servaient comme normes de temps et ce n'était pas jusque vers 1926 au ce les oscillateurs à cristal ont été employés pour commander la fréquence d'un émetteur radioélectrique. Ceci a été fait à la station de radio WEAF à New York au lequel a été possédé par et T.

Les laboratoires de téléphone de Bell qui étaient une partie d'AT&T et avec Marconi Company au R-U et S.E.L. Germany ont réalisé beaucoup de développements importants en technologie en cristal pendant les années 1930. En 1934 MM. Lack et Willard chez Bell Labs ont découvert que CHEZ la coupe et le BT coupez les cristaux qui ont donné l'industrie des communications ont énormément amélioré la fréquence contre des cristaux de résultats de la température.

Les techniques améliorées de cachetage et de production avec la découverte d'une nouvelle famille d'effort ont compensé des coupes sont parmi certaines des avances qui ont été faites pendant la dernière décennie ainsi que le processus de MESA et la miniaturisation inversés plus récents des cristaux et des oscillateurs.

Les matériaux piézoélectriques montrent une charge électrique directionnellement relative une fois soumis pour faire pression sur et réciproquement l'application d'une charge électrique cause une force directionnellement relative d'être produite dans le matériel. L'application d'un champ électrique alternatif fera vibrer et résonner plus tard mécaniquement le matériel. La fréquence de n'importe quelle résonance mécanique est déterminée par les dimensions physiques du matériel, “de l'angle coupé” en ce qui concerne l'axe cristallin du cristal cristallin mono original, de la température ambiante et de tous les effets de modification des composants mécaniques ou électriques associés.

Les propriétés du quartz cristallisé incluent son produit chimique élevé et stabilité mécanique et un coefficient de basse température, ayant pour résultat un petit changement de fréquence de résonance pour n'importe quel changement de température ambiante, ainsi qu'un Q très élevé à la résonance. Elle se produit naturellement et tout travail expérimental tôt a été effectué utilisant le quartz cristallisé naturel.

Cependant, le quartz cristallisé naturel souffre des inclusions des impuretés, des bulles, des fissures et du jumelage, qui réduisent sa valeur pour l'usage dans le contrôle de fréquence pendant que ceux-ci réduisent le facteur de Q. Par conséquent la production du quartz synthétique a été établie afin de produire une forme pure de quartz cristallin exempte du jumelage et des impuretés.

Le quartz synthétique est produit dans un autoclave à partir d'une solution saturée de l'O2 de SI approximativement à 400°C et à une pression de 1000Kg/cm2 de produire une solution saturée superbe.

Le processus de fabriquer le quartz synthétique est connu comme méthode hydrothermique dans laquelle a préparé des plats de graine de quartz cristallin mono orienté sur pré sont suspendus dans la solution saturée et en réduisant la température de la solution que la croissance de grands cristaux est obtenue sous le laboratoire a commandé des conditions réduisant au minimum de ce fait des impuretés et maximisant le volume utile de matériel.

Les taux de croissance du matériel synthétique sont dans l'ordre de 1mm par jour ou moins pour réaliser une pureté maximum. Des résonateurs à quartz pour l'usage dans des circuits électroniques sont produits en coupant le quartz cristallin dans des gaufrettes (ou des blancs), plaquant des électrodes sur chaque côté de la gaufrette et enfermant le résonateur dans un support approprié. Les dimensions de la gaufrette de quartz essentiellement déterminer la fréquence de résonateur bien que ceci soit également affecté par la taille et l'épaisseur des électrodes et des circuits électriques associés.

L'orientation de la gaufrette “coupe” à l'axe optique cristallin est critique afin de réaliser l'exactitude de la fréquence de résonance et un coefficient nécessaire de basse température de fréquence pour l'unité finale de résonateur. La “coupe” produira les caractéristiques de la température de fréquence que qui sont ou en second lieu ordre (équation quadratique) ou de troisième ordre (ternaire) et donc les caractéristiques montreront simple ou double retournent des points.