Kuvars KRİSTAL, ZAMANLAMA MALZEMESİ

Kuvars KRİSTAL, ZAMANLAMA MALZEMESİ

1. Giriş

Kuvars piezoelektrik bir malzemedir.Karşı yüzeylere elektrotlar bağlı olan ince bir kuvars levhası, iki elektrota voltaj uygulandığında mekanik olarak titreşir.Titreşim frekansı öncelikle levha boyutlarının bir fonksiyonudur.Elektrotlarla uygun şekilde monte edildiğinde kristal rezonatörler olarak adlandırılan gofretler, radyo vericilerinin frekansını kontrol etmek için uzun süredir kullanılmaktadır ve piezoelektrik özelliklerinin filtrelerde, osilatörlerde ve diğer cihazlarda kullanıldığı telekomünikasyon iletişim ekipmanında önemli bir bileşen olmuştur.Şimdi kuvars kristalleri, mikroişlemciler, bilgisayarlar, programlanabilir kontrolörler, saatler ve çeşitli DSP gibi diğer dijital ekipmanlar için zaman ve koordinat sinyalleri.

Kuvars, silikon dioksitin (SiO₂).2649 kg/m yoğunluğa sahip sert, kırılgan, şeffaf bir malzemedir.³ve 1750 erime noktası°C. Kuvars sıradan asitlerde çözünmez, ancak hidroflorik asitte ve sıcak alkalilerde çözünür.Kuvars 573'e ısıtıldığında°C, kristal formu değişir.Bu geçiş sıcaklığının üzerindeki kararlı biçim, yüksek kuvars veya beta-kuvars olarak bilinirken, 573'ün altındaki kararlı biçim°C, düşük kuvars veya alfa kuvars olarak bilinir.Rezonatör uygulamaları için, yalnızca alfa-kuvars ilgi çekicidir ve aksi belirtilmedikçe, devamındaki kuvars terimi her zaman alfa-kuvars anlamına gelir.Kuvars bol miktarda doğal bir malzemedir, ancak iyi kaliteyi düşük kaliteli doğal kuvarstan ayırmak için önemli ölçüde emek gerekir.Silisyum (esas olarak dioksit formunda ve genellikle küçük kuvars kristalitleri halinde) yerkabuğunun yaklaşık üçte birini oluştursa da, piezoelektrik özelliklerini kullanan cihazlarda kullanıma uygun boyutta ve kalitede doğal kuvars esas olarak Brezilya'da bulunmuştur.Doğal kuvars, rastgele şekil ve boyutlarda oluştuğu için işlenmesi de maliyetlidir.Ayrıca, bazı düşük kaliteli kuvars parçaları, yalnızca kısmi işlemden sonra keşfedilir.Ve doğal kuvarstaki yaygın kirlilikler genellikle küçük gofretlerin kesilmesini pratik değildir.Kültürlü kuvarsın geliştirilmesindeki ilk büyük adım, 1936'da ABD Ordusu Sinyal Birlikleri, Dr.Jaffe, Hale ve Sawyer.Bu, geleneksel olarak Brezilya'dan satın alınan iyi piezoelektrik kaliteye sahip doğal kuvarsın bekleyen kıtlığı nedeniyle yapıldı.

Günümüzde kuvars artık yapay olarak belirli boyutlara büyütülmektedir.Kristal oryantasyonu kontrol edilir ve saflık eşit derecede yüksektir.Standart boyutlar, gofret kesme maliyetini düşürür ve kirlilikler geniş çapta dağılır, bu da düşük tahrik gücü gerektiren küçük rezonatörleri mümkün kılar.

2. Kültürlü Kuvars Büyütmenin Temel Süreci

Kültürlenmiş kuvars, otoklav olarak bilinen büyük bir basınçlı kapta büyütülür (aşağıdaki şematik çizime bakın).Otoklav, bir ucu kapalı, 700 ila 800 iç sıcaklık ile inç kare başına 30.000 pound'a kadar basınçlara dayanabilen metal bir silindirdir.°F. Genellikle 12 ila 20 fit yüksekliğinde ve 2 ila 3 fit çapındadır.

"Lascas veya besin" olarak adlandırılan saf fakat yüzeysiz kuvars (1 ila 1.5 inç boyutunda) küçük talaşları bir tel örgü sepete yerleştirilir ve kabın alt yarısına indirilir.Sepetin üzerine, "bölme" adı verilen önceden düzenlenmiş deliklere sahip bir çelik levha yerleştirilmiştir.Bölme, büyüme (tohum) bölgesi ile besin bölgesini ayırmak ve iki bölge arasında bir sıcaklık farkı oluşturmaya yardımcı olmak için kullanılır."Tohum" olarak adlandırılan uygun şekilde yönlendirilmiş tek kristal plakalar (doğal veya kültürlü), bir rafa monte edilir ve kabın üst yarısında bölmenin üstüne asılır.Otoklav daha sonra gelecekteki sıvı genleşmesini sağlamak için serbest hacminin yaklaşık %80'ine kadar sulu bir alkali çözelti (Sodyum Karbonat veya Sodyum Hidroksit) ile doldurulur ve yüksek basınçlı bir kapakla kapatılır.Otoklav daha sonra silindirin dış çevresine bağlı bir dizi dirençli ısıtıcı tarafından çalışma sıcaklığına getirilir.Sıcaklık arttıkça, otoklav içinde basınç oluşmaya başlar.700 ila 800 sıcaklık°F, geminin alt yarısında elde edilirken, üst yarı 70 ila 80'de tutulur°F alt yarısından daha soğuk.

Çalışma basıncı ve sıcaklığında, lascas, kabın alt yarısındaki ısıtılmış çözelti içinde çözülür ve daha sonra yükselir.Kabın üst kısmının daha soğuk sıcaklığına ulaştığında, çözelti aşırı doygun hale gelir ve lascas içindeki çözünmüş kuvarsın tohum üzerinde yeniden kristalleşmesine neden olur.Soğutulmuş kullanılmış çözelti daha sonra, lascas tükenene ve kültürlü kuvars taşları istenen boyuta ulaşana kadar döngüyü tekrarlamak için kabın alt yarısına geri döner.Bu sözde "Hidrotermal İşlem" süresi, istenen taş boyutuna, özelliklerine ve işlem tipine bağlı olarak 25 ila 365 gün arasında değişir – Sodyum Hidroksit veya Sodyum Karbonat.

3. Kuvars Kristalinin Simetrisi, Eşleşmesi ve Boyutu

Alfa-kuvars, kristalografik sınıf 32'ye aittir ve her iki ucunda altı kapak yüzü bulunan altıgen bir prizmadır.Prizma yüzleri m-yüzleri, kapak yüzleri ise R ve r-yüzleri olarak belirlenmiştir.R-yüzleri genellikle büyük eşkenar dörtgen yüzler olarak adlandırılır ve r-yüzleri küçük eşkenar dörtgen yüzlerdir.Hem sol hem de sağ kristaller doğal olarak oluşur ve S ve X yüzlerinin konumu ile ayırt edilebilir.

Yukarıdaki şematik çizimde gösterildiği gibi, alfa-kuvars kristali tek bir üç katlı simetri eksenine (trigonal eksen) sahiptir ve bu üçgen eksene dik olan üç katlı iki katlı simetri eksenine (köşegen eksenler) sahiptir.Digonal eksenler 120° aralıklıdır ve kutupsal eksenlerdir, yani onlara kesin bir anlam atanabilir.Kutup eksenlerinin varlığı, bir merkez simetrisinin olmadığını ima eder ve piezoelektrik etkinin varlığı için gerekli koşuldur.Digonal eksenler, kuvarsın elektrik eksenleri (x-, y-ekseni) olarak da bilinir.Tamamen gelişmiş doğal yüzlere sahip kristalde, her bir kutup ekseninin iki ucu, S ve X yüzlerinin varlığı veya yokluğu ile ayırt edilebilir.Elektrik ekseni yönünde basınç uygulandığında, bu yüzler tarafından değiştirilen eksenin o ucunda bir negatif yük gelişir.Optik eksen (z ekseni) olarak da bilinen trigonal eksen, polar değildir, çünkü ona dik olan digonal eksenlerin varlığı, trigonal eksenin iki ucunun eşdeğer olduğunu gösterir.Böylece optik eksen boyunca piezoelektrik polarizasyon üretilemez.Dikdörtgen koordinat sistemlerinde z ekseni m prizma yüzlerine paraleldir.Ana yüzeyi x eksenine dik olan bir kuvars kesim plakasına X kesim plakası denir.Kesimi z ekseni etrafında 90 derece döndürmek, y ekseni artık ana yüzeye dik olan bir Y kesim plakası verir.Bir kuvars kristalinin altı prizma yüzü olduğundan, x ve y ekseni için üç seçenek vardır.Seçim keyfidir;her biri aynı şekilde davranır.

Kuvars optik olarak aktif bir malzemedir.Optik eksen boyunca düzlem polarize ışık demeti iletildiğinde, polarizasyon düzleminde bir dönüş meydana gelir ve dönüş miktarı malzemede kat edilen mesafeye bağlıdır.Dönme hissi, sol kuvars ve sağ kuvars olarak bilinen doğal olarak oluşan iki alfa kuvars formunu ayırt etmek için kullanılabilir.Sol kuvarsda, ışık kaynağına bakan bir gözlemci tarafından görüldüğünde polarizasyon düzlemi saat yönünün tersine döner ve sağ kuvarsda saat yönünde döner.Üretilen çoğu kültürlü kuvars sağ kuvars iken, doğal sol ve sağ kuvars yaklaşık olarak eşit olarak dağılmıştır.Her iki form da rezonatörlerin imalatında eşit derecede kullanılabilir, ancak optik olarak ikiz malzeme olarak adlandırılan sol ve sağ formların karıştırıldığı malzeme kullanılamaz.Öte yandan, elektriksel olarak ikizlenmiş malzemenin tamamı aynı eldir, ancak elektrik ekseninin ters çevrildiği bölgeleri içerir, böylece genel piezoelektrik etkiyi azaltır.Bu malzeme aynı zamanda rezonatör uygulaması için de uygun değildir.Doğal kuvars kristalinde ikizlenme ve diğer kusurların varlığı, uygun doğal malzeme eksikliğinin ana nedenidir ve kültürlü kuvarsda önemli ikizlenme olmaması ana avantajlarından birini oluşturur.Alfa-kuvars 573'ün üzerine ısıtıldığında°C, kristal form, trigonal simetriden ziyade altıgen simetriye sahip beta-kuvars formuna dönüşür.573'e kadar soğuma hakkında°C, malzeme alfa-kuvarsa geri döner, ancak genel olarak elektriksel olarak ikizlenmiş olduğu görülecektir.Aynı şekilde, büyük termal veya mekanik gerilimlerin uygulanması ikizlenmeye neden olabilir, bu nedenle rezonatör işlemede bu tür termal veya mekanik şoklardan kaçınmak için gereklidir.

Kültüre edilmiş kuvars kristalleri, üretildikleri otoklavdan çıkarıldıktan sonra öğütülerek keresteli çubuklara dönüştürülür.Bunlar uzun, dikdörtgen çubuklardır ve daha sonra rezonatörler için levhalar halinde kesilmeye uygundur.Kereste çubuklar tipik olarak 6 ila 8 inç uzunluğundadır, ancak kullanılabilir uzunluk yaklaşık 5 ila 6 inçtir çünkü uçlara yakın malzeme kullanılamaz.Daha uzun çubuklar yetiştirilebilir, ancak bunlar, maliyeti hızla artan daha uzun tohumlar gerektirir.Keresteli çubukların yüksekliği genellikle genişliğin yaklaşık iki katıdır çünkü normalde her dilimden iki gofret kesilir.Çok sayıda standart boyutlu kereste çubuğu mevcuttur ve kuvars da büyütülebilir ve belirtilen boyutlara öğütülebilir.

4. Kuvars Kristalindeki Kimyasal Safsızlıklar

Hem kültürlü hem de doğal kuvars, rezonatör performansını etkileyebilecek kimyasal safsızlıklar içerir.Kimyasal safsızlıklar, kuvars içinde silikon ve oksijen ile kimyasal bağlar oluşturanlardır.Alüminyum, demir, hidrojen ve flor tipik kimyasal safsızlıklardır.Kültürlü kuvarsta genellikle doğal kuvarsta bulunandan çok daha düşük bir seviyede tutulurlar.Bununla birlikte, kimyasal safsızlıklar kültürlenmiş kuvars içinde eşit olarak dağılmamaktadır.+x ,-x, z bölgeleri ve ara sıra oluşan s bölgeleri, farklı seviyelerde kimyasal safsızlıklar içerir.İki z bölgesi en az miktarda yabancı madde içerir.+x bölgesi, z bölgesinden daha fazla yabancı madde içerir ve-x bölgesinde daha fazla kirlilik var.Genellikle küçük olan s bölgelerindeki safsızlıkların yoğunluğu, z bölgelerindeki ile +x bölgesindeki arasındadır.Kültür için geniş tohumlar kullanıldığında, keresteli bir çubuğun z bölgeleri büyüktür ve +x ve-x bölgeleri küçüktür.Dar, daha ucuz tohumlar kullanıldığında, z bölgeleri daha küçüktür ve +x ve-x bölgeler daha büyük.Genel olarak, kimyasal safsızlıklar, radyasyon sertliği, ikizlenmeye yatkınlık, osilatör kısa vadeli ve uzun vadeli stabilite ve filtre kaybı gibi rezonatör performansında bozulmaya neden olabilir.

5. Rezonatör Q ve Kristal Q

Bir kristal rezonatörün Q değeri, bir döngü sırasında depolanan enerjinin kaybedilen enerjiye oranıdır:

Qº2PBir çevrim sırasında depolanan enerji / Bir çevrim sırasında kaybedilen enerji

Değer önemlidir çünkü rezonatörü çalıştırmak için gereken gücün bir ölçüsüdür.Q, öncelikle bir rezonatörün çalıştığı atmosferin, yüzey kusurunun, mekanik bağlantıların ve rezonatörlerin işlenmesi ve montajından kaynaklanan diğer faktörlerin bir fonksiyonudur.

Kuvars kereste çubuklarına da bir Q değeri atanır, ancak bir kuvars çubuğun Q değeri, depolanan enerjinin ve kaybedilen enerjinin doğrudan ölçümüne dayanmaz.Bunun yerine, bir kuvars çubuğunun Q'su, çubuktaki safsızlıklara dayanan bir değer rakamıdır.Kültürlenmiş kuvars içindeki kimyasal safsızlıklar, keresteli bir çubuğun enine kesit dilimindeki z bölgelerinden bir kızılötesi ışığın yönlendirilmesiyle ölçülür.İki spesifik dalga boyunda (3.500 nm ve 3.800 nm) geçirgenlik farkı ölçülür ve bu verilerden Q değeri hesaplanır.Yüksek Q değerine sahip kuvars, düşük Q değerine sahip kuvarslardan daha az safsızlık içerir ve EIA Standardı 477-1'e göre "Kızılötesi Q" ölçümleri kuvars kalitesinin bir göstergesi olarak kuvars üreticileri ve kullanıcıları tarafından rutin olarak kullanılır.

Bir rezonatör için Q değeri, genellikle rezonatörün kesildiği kuvars çubuğun değeriyle aynı değildir.Bununla birlikte, kuvars çubuğun Q değeri kritik bir seviyenin altında olduğunda bir rezonatörün Q'su etkilenebilir.Kültürlü kuvars için 1.8 milyon veya daha yüksek AQ değeri, çoğu uygulama için bir rezonatörün nihai Q'sunda kimyasal safsızlıkların bir faktör olmayacağının bir göstergesidir.Q için bu değerlere sahip kuvars genellikle elektronik kalite (Grade C) olarak adlandırılır.Birinci sınıf kuvars Q'su 2,2 milyon (Derece B) ve özel premium'un Q değeri 3,0 milyon (Derece A).Kültürlü kuvars için Q değerinin yalnızca z bölgesindeki safsızlıklara dayandığını bilmek önemlidir.Bu nedenle, kristal Q'nun bir uygulama için yeterli olduğu durumlarda bile, bir rezonatörün aktif kısmının (elektrotlar arasındaki) +x'i içerdiği durumlarda, rezonatör Q ve frekansa karşı sıcaklık davranışı olumsuz etkilenebilir,-x veya s bölgesi malzemesi.

Yalnızca z bölgesi malzemesi içeren kuvars kristal gofretler, yalnızca nispeten pahalı olan geniş tohumlardan yetiştirilen çubuklardan başarıyla kesilebilir.Neyse ki, elektrotlar bir rezonatör levhasının tüm yüzey alanını nadiren kaplar ve +x'in içerdiği yabancı maddeler,-x veya s bölgesi, bu kirlilik materyali aktif kısmın dışında kaldığında rezonatör çalışmasını olumsuz etkilemez.Bu nedenle, çoğu uygulama için rezonatörler, nispeten ucuz bir dar tohumdan yetiştirilen kuvarsı kullanabilir.

6. Özet

1880'de ünlü Curie çifti tarafından keşfedilen ve bir zamanlar kaba yontulmuş doğal kristalden yüksek maliyetle elde edilen piezoelektrik kuvars kristali, şimdi belirli boyut ve saflıkta kristaller üreten bir işlemle yapay olarak büyütülüyor.Bu kültürlü kuvars, maliyeti düşürdü ve günümüzün dijital devrelerinin zamanlaması için kritik olan rezonatörlerin boyutunu küçülttü.