CRISTAL DE QUARTZ, LE MATÉRIEL DE SYNCHRONISATION

CRISTAL DE QUARTZ, LE MATÉRIEL DE SYNCHRONISATION

1. Introduction

Le quartz est un matériel piézoélectrique. Une gaufrette mince de quartz, avec des électrodes attachées aux surfaces de opposition, vibre mécaniquement quand la tension est appliquée aux deux électrodes. La fréquence de la vibration est principalement une fonction des dimensions de gaufrette. Les gaufrettes, ont appelé les résonateurs en cristal une fois convenablement montées avec des électrodes jointes, ont été longtemps employées pour commander la fréquence des émetteurs radioélectriques, et c'a été un composant essentiel dans le matériel de transmission de télécommunication où ses propriétés piézoélectriques sont employées dans les filtres, les oscillateurs et d'autres dispositifs. Maintenant temps de cristaux de quartz et coordonner des signaux pour des microprocesseurs, des ordinateurs, des contrôleurs programmables, des montres, et tout autre Digital Equipment tel que divers DSP.

Le quartz est une forme cristalline de silice (SiO₂). Il est un dur, fragile, le matériel transparent avec une densité de 2649 kg/m3 et un point de fusion du° 1750 C. Quartz est insoluble dans les acides ordinaires, mais le soluble en acide fluorhydrique et en alcalis chauds. Quand le quartz est chauffé à 573° C, ses changements cristallins de forme. La forme stable au-dessus de cette température de transition est connue comme haut-quartz ou bêta-quartz, alors que la forme stable en-dessous de 573° C est connue comme bas-quartz ou alpha-quartz. Pour des applications de résonateur, seulement l'alpha-quartz est d'intérêt et sauf indication contraire le quartz de terme dans la suite se rapporte toujours au l'alpha-quartz. Le quartz est un matériel naturel abondant, mais le travail considérable est exigé pour séparer la bonne qualité du quartz naturel de mauvaise qualité. Bien que le silicium (principalement sous forme de bioxyde, et généralement en tant que petites cristallites de quartz) comporte approximativement un tiers de la croûte terrestre, du quartz naturel de la taille et de la qualité appropriée pour l'usage dans des dispositifs utilisant ses propriétés piézoélectriques, a été trouvé principalement au Brésil. Le quartz naturel est également coûteux pour traiter parce qu'il se produit dans des formes aléatoires et des tailles. D'ailleurs, quelques segments de quartz de mauvaise qualité sont découverts seulement après le traitement partiel. Et les impuretés répandues en quartz naturel rendent souvent la coupure de petites gaufrettes impraticable. La première étape principale dans le développement du quartz cultivé était en 1936 quand les corps de signal de l'armée américaine ont donné un contrat pour balayer des laboratoires sous la direction du jeu rouleau-tambour. Jaffe, vigoureux, et Sawyer. C'était dû fait à la pénurie en attente du quartz naturel avec la bonne qualité piézoélectrique, d'habitude achetée du Brésil.

Aujourd'hui, le quartz est maintenant développé artificiellement aux dimensions spécifiques. L'orientation en cristal est commandée, et la pureté est uniformément haute. Les tailles standard réduisent le coût de couper des gaufrettes, et des impuretés sont largement dispersées, faisant de petits résonateurs possibles exigeant la basse puissance d'entraînement.

2. L'opération de base d'élever le quartz cultivé

Le quartz cultivé est développé dans un grand récipient à pression connu sous le nom d'autoclave (voyez le dessin schématique suivant). L'autoclave est un cylindre en métal, fermé à une extrémité, capable de résister à des pressions jusqu'à 30 000 livres par pouce carré avec la température interne de 700 à 800° F. Il tient habituellement de les pieds de 12 à 20 pieds d'hauteur et 2 à 3 de diamètre.

De petites puces de quartz pur mais au visage d'ONU (1 à 1,5 pouces dans la taille), appelées les « lascas ou l'élément nutritif », sont placées dans un panier de grillage et abaissées dans la moitié inférieure du navire. Une plaque d'acier avec les trous arrangés au préalable, appelés une « cloison », est placée sur le panier. La cloison est utilisée pour séparer la région de croissance (graine) et la région nutritive, et pour aider à établir un différentiel de la température entre les deux régions. Des plats convenablement orientés de monocristal (naturel ou cultivé), appelés la « graine », sont montés sur un support et suspendus sur la cloison dans la moitié supérieure du navire. L'autoclave est alors rempli de solution alcaline aqueuse (carbonate de sodium ou hydroxyde de sodium) approximativement à 80% de son volume libre pour tenir compte de la future expansion liquide, et il est scellé avec une fermeture à haute pression. L'autoclave est alors apporté à la température de fonctionnement par une série d'appareils de chauffage résistifs attachés à la circonférence extérieure du cylindre. À mesure que la température augmente, la pression commence à construire dans l'autoclave. Une température de 700 à 800° F est atteinte dans la moitié inférieure du navire tandis que la moitié supérieure est maintenue à 70 80au refroidisseur du° F que la moitié inférieure.

À la pression de fonctionnement et à la température, les lascas se dissout dans la solution passionnée dans la moitié inférieure du navire, qui se lève alors. Pendant qu'il atteint la température plus fraîche de la partie supérieure du navire, la solution devient sursaturée, entraînant le quartz dissous dans les lascas recristalliser sur la graine. La solution épuisée refroidie revient alors à la moitié inférieure du navire pour répéter le cycle jusqu'aux lascas est épuisée et les pierres cultivées de quartz ont atteint la taille désirée. Ceci soi-disant gammes de temps « de processus hydrothermique » de 25 à 365 jours, selon la taille en pierre désirée, les propriétés, et le type de processus – hydroxyde de sodium ou carbonate de sodium.

3. Symétrie, jumelage et taille de cristal de quartz

l'Alpha-quartz appartient à la classe cristallographique 32, et c'est un prisme hexagonal avec six visages de chapeau à chaque extrémité. Les visages de prisme sont indiqués des m-visages et les visages de chapeau sont indiqués R et r-visages. Les R-visages s'appellent souvent les visages importants de losange et les r-visages sont les visages mineurs de losange.  Les cristaux gauches et droits se produisent naturellement et peuvent être distingués par la position des visages de S et de X.

Suivant les indications du dessin schématique ci-dessus, le cristal d'alpha-quartz a un axe simple de symétrie triple (axe trigone), et il a trois haches de symétrie double (le digonal diminue) qui est perpendiculaire à cet axe trigone. Les haches de digonal sont 120° espacés à part et sont les haches polaires, c.-à-d., un sens défini peut leur être assigné. La présence des haches polaires implique le manque d'une symétrie centrale et est condition nécessaire pour l'existence de l'effet piézoélectrique. Les haches de digonal sont également connues comme haches électriques du quartz (x, axe des y). Dans le cristal avec les visages naturels en pleine maturité, les deux fins de chaque axe polaire peuvent être différenciées par la présence ou l'absence des visages de S et de X. Quand de la pression est appliquée en direction de l'axe électrique, une charge négative est développée à cette fin de l'axe modifié par ces visages. L'axe trigone, également connu sous le nom d'axe optique (axe de z), n'est pas polaire, puisque la présence de la normale de haches de digonal à elle implique que les deux buts de l'axe trigone sont équivalents. Aucune polarisation piézoélectrique ne peut être produite ainsi le long de l'axe optique.  Dans les systèmes du même rang rectangulaires, l'axe des z est parallèle au prisme de m fait face. Un plat de quartz coupé avec sa perpendiculaire extérieure principale à l'axe des abscisses s'appelle un plat de X-coupe. Tournant la coupe 90 degrés au sujet de l'axe des z donne un plat de Y-coupe avec l'axe des y maintenant perpendiculaire à la surface principale. Depuis un cristal de quartz a six visages de prisme, trois choix existent pour le x et l'axe des y. La sélection est arbitraire ; chacun se comporte identiquement.

Le quartz est un matériel optiquement actif. Quand une poutre de lumière avion-polarisée est transmise le long de l'axe optique, une rotation du plan de la polarisation se produit, et la quantité que la rotation dépend de la distance a traversé dans le matériel. Le sens de la rotation peut être employé pour différencier entre les deux formes naturelles d'alpha-quartz connues sous le nom de quartz gauche et quartz droit. En quartz gauche le plan de la polarisation tourne dans le sens contraire des aiguilles d'une montre une fois vu par un observateur regardant vers la source de lumière, et en quartz droit il tourne dans le sens horaire. La plupart de quartz cultivé produit est quartz droit, tandis qu'en quartz de gauche et droit naturel sont environ également distribués. L'un ou l'autre de forme peut aussi bien être employée dans la fabrication des résonateurs, mais le matériel dans quelles formes gauches et droites sont mélangées, qui s'appelle le matériel optiquement jumelé, ne peut pas être employé. D'autre part, le matériel électriquement jumelé est toute les même main, mais contient des régions où le sens de l'axe électrique est renversé, de ce fait réduisant l'effet piézoélectrique global. Un tel matériel n'est également pas approprié à l'application de résonateur. La présence de défauts de jumelage et autres dans le cristal de quartz naturel est la raison principale de la pénurie de matériel naturel approprié, et l'absence du jumelage significatif en quartz cultivé constitue un de ses principaux avantages. Quand l'alpha-quartz est chauffé à au-dessus de 573° C, les changements cristallins de forme à cela du bêta-quartz, qui a hexagonal plutôt que la symétrie trigone. Sur le refroidissement par 573° C, le matériel retourne au l'alpha-quartz, mais en général sera trouvé électriquement à jumeler. Du même coup, l'application de grands efforts thermiques ou mécaniques peut induire le jumelage, ainsi il est nécessaire dans le résonateur traitant pour éviter des tels chocs thermiques ou mécaniques.

Après avoir été enlevé d'un autoclave en lequel ils ont été produits, des cristaux de quartz cultivés sont convertis, par le meulage, dans de soi-disant barres avancées lourdement. Ce sont de longues, rectangulaires barres, appropriées à la coupe suivante dans des gaufrettes pour des résonateurs. Les barres avancées lourdement sont en général 6 à 8 pouces long, mais la longueur utilisable est environ 5 à 6 pouces parce que le matériel près des extrémités est inutilisable. De plus longues barres peuvent être développées, mais ceux-ci exigent de plus longues graines, le coût dont des augmentations rapidement avec la longueur. La taille des barres avancées lourdement est généralement approximativement deux fois la largeur parce que deux gaufrettes sont normalement coupées de chaque tranche. La barre avancée lourdement de taille standard nombreuse sont disponible, et le quartz peut également être développé et rectifié aux dimensions spécifiques.

4. Impuretés chimiques dans le cristal de quartz

Quartz cultivé et naturel pour contenir les impuretés chimiques qui peuvent affecter la représentation de résonateur. Les impuretés chimiques sont ceux qui forment les liaisons chimiques avec du silicium et l'oxygène en quartz. L'aluminium, le fer, l'hydrogène et le fluor sont les impuretés chimiques typiques. Ils sont tenus sur beaucoup un niveau plus bas en quartz cultivé que cela souvent trouvé en quartz naturel. Cependant, des impuretés chimiques ne sont pas également distribuées en quartz cultivé. Les +x, le - x, les régions de z, et les soi-disant régions de s qui forment de temps en temps, contiennent différents niveaux des impuretés chimiques. Les deux régions de z contiennent la moins quantité d'impuretés. La région de +x contient plus d'impuretés que la région de z, et la région du - x a pourtant plus d'impuretés. La densité des impuretés dans les régions de s, qui sont généralement petites, est entre celle dans les régions de z et celle dans la région de +x. Quand des graines larges sont employées pour la cultivation, les régions de z d'une barre avancée lourdement sont grandes et les régions de +x et de - x sont petites. Si étroites, des graines moins chères sont employées, les régions de z sont plus petites et les régions de +x et de - x plus grandes. Généralement les impuretés chimiques peuvent résultat dans dégrader dans la représentation de résonateur telle que la dureté de rayonnement, susceptibilité à la stabilité à court terme et à long terme d'enroulement, d'oscillateur, et perte de filtre.

5. Résonateur Q et cristal Q

La valeur de Q d'un résonateur en cristal est le rapport de l'énergie stocké à l'énergie a perdu pendant un cycle :

L'énergie de º 2p de Q stockée pendant un cycle/énergie a perdu pendant un cycle

La valeur est importante parce que c'est une mesure de la puissance exigée pour conduire le résonateur. Le Q est principalement une fonction de l'atmosphère en laquelle un résonateur fonctionne, d'imperfection de surface, d'attachements mécaniques et d'autres facteurs résultant de traiter et de monter les résonateurs.

Quartz a avancé lourdement des barres également sont assignés une valeur de Q, mais le Q pour une barre de quartz n'est pas basé sur une mesure directe d'énergie stockée et l'énergie a perdu. Au lieu de cela, le Q d'une barre de quartz est un facteur de mérite basé sur des impuretés dans la barre. Des impuretés chimiques en quartz cultivé sont mesurées en dirigeant une lumière infrarouge par les régions de z dans une tranche en coupe d'une barre avancée lourdement. La différence dans la transmittance à deux longueurs d'onde spécifiques (3 500 nanomètre et 3 800 nanomètre) est mesurée, et valeur de Q est calculée à partir de ces données. Le quartz ayant un Q élevé contient moins d'impureté que ceux avec bas Q, et des mesures « de Q infrarouge », par norme 477-1 de l'EIE, sont par habitude employées par des cultivateurs et des utilisateurs de quartz comme indicateur de qualité de quartz.

La valeur de Q pour un résonateur n'est pas généralement identique à celle pour la barre de quartz de laquelle le résonateur a été coupé. Cependant, le Q d'un résonateur peut être affecté quand Q de la barre de quartz est au-dessous d'un niveau critique. Une valeur de Q de 1,8 millions ou un plus haut pour le quartz cultivé est une indication que les impuretés chimiques ne seront pas un facteur dans le Q final d'un résonateur pour la plupart des applications. Le quartz ayant de telles valeurs pour Q s'appelle généralement la catégorie électronique (catégorie C). Le quartz de la meilleure qualité de catégorie a un Q de 2,2 millions (la catégorie B), et la prime spéciale a un Q de 3,0 millions (catégorie A). Il est important de se rendre compte de celui que la valeur de Q pour le quartz cultivé est basée sur des impuretés dans la région de z seulement. Par conséquent, même où Q en cristal est approprié pour une application, le résonateur Q et la fréquence contre le comportement de la température peuvent être compromis où la partie active (entre les électrodes) d'un résonateur inclut +x, - x, ou matériel de région de s.

Des gaufrettes en cristal de quartz contenant seulement le matériel de z-région peuvent être avec succès coupées seulement des barres développées des graines larges, qui sont relativement chères. Heureusement, les électrodes couvrent rarement la superficie entière d'une gaufrette de résonateur, et les impuretés contenues dans +x, - x, ou région de s ne compromet pas l'opération de résonateur quand ces mensonge matériel d'impureté en dehors de la partie active. Ainsi, les résonateurs pour la plupart des applications peuvent employer le quartz développé d'une graine étroite relativement bon marché.

6. Résumé

Le cristal de quartz piézoélectrique, découvert en 1880 par les couples célèbres de curie et une fois obtenu au coût élevé du cristal naturel taillé grossièrement, est maintenant développé artificiellement par un processus qui produit des cristaux de taille et de pureté spécifiques. Ce quartz cultivé a abaissé le coût et a ramené la taille des résonateurs critiques à la synchronisation des circuits numériques d'aujourd'hui.