الكوارتز الأحادي البلورية

الكوارتز المستخدم في تصنيع منتجات التحكم في التردد هو بلوري أحادي الشكل سداسي غير متماثل.كيميائيًا ، الكوارتز هو ثاني أكسيد السيليكون ، SiO2 يحدث بشكل طبيعي باعتباره أكثر المعادن تماسكًا على وجه الأرض ، ويشكل ما يقرب من 14 ٪ من سطح الأرض.

ترجع أهمية الكوارتز أحادي البلورية في صناعة الإلكترونيات الحديثة إلى خصائصه المركبة للكهرباء الانضغاطية ، والاستقرار الميكانيكي والكيميائي العالي ، و Q عالية جدًا عند الرنين ، والأساليب الحديثة منخفضة التكلفة لإنتاج مستويات عالية للغاية من النقاء في المواد الاصطناعية.

أصبح الكوارتز الآن لا غنى عنه باعتباره المادة الرئيسية للتحكم في التردد في المعدات الإلكترونية ولا يتم تجاوزه إلا من أجل الدقة على المدى الطويل من خلال المعايير الذرية الأولية مثل السيزيوم والروبيديوم.

ومع ذلك ، فإن التطور الأخير في الميمات ، والأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة ، والأنظمة الميكانيكية الكهروميكانيكية النانوية ، من المقرر أن تحدث ثورة في سوق التحكم في التردد من خلال دمج الساعات البسيطة في ركائز السيليكون المستخدمة في تصنيع IC.

قد تحل هذه الأجهزة المصغرة بشكل حتمي محل جميع الساعات البسيطة مما يوفر موثوقية إضافية بتكلفة أقل وحيث تكون دقة التوقيت الدنيا مطلبًا.

في شكله الكيميائي الأساسي ، لا يمكن استخدام ثاني أكسيد السيليكون للتحكم في التردد ويجب أن يكون لهيكل بلوري أحادي حيث يُظهر صفات كهرضغطية قابلة للاستخدام بسبب شكله غير المتماثل.تم اكتشاف الكهرباء الانضغاطية (الضغط اليوناني "للضغط") في الكوارتز الأحادي البلوري من قبل الأخوين كوري في جامعة السوربون ، باريس 1880.

ومع ذلك ، لم يتم استخدام هذه الخاصية في تطبيق عملي حتى عام 1917 عندما قام الأستاذ لانجفين في فرنسا و AM Nicolson في Western Electric بتصميم أجهزة إرسال واستقبال السونار بشكل مستقل للكشف عن الغواصات في البحر.

ذهب نيكولسون لاحقًا إلى تقديم عدد من براءات الاختراع للتطبيقات التي تستخدم كل من ملح الكوارتز وروشيل.استجابت هذه المادة الأخيرة بقوة للموجات الصوتية والمحفزات الكهربائية وتم دمجها بواسطة Nicolson في تصميمات الميكروفونات ومكبرات الصوت وأجهزة التقاط الفونوغراف.بينما اقترح نيكولسون استخدام مواد بيزو الكهربائية للتحكم في تردد مذبذب الأنبوب المفرغ ، كان الدكتور والتر كادي من جامعة ويسليان هو الذي قدم براءات الاختراع الأولى لمذبذبات الكريستال في عام 1923.

قام البروفيسور جي دبليو بيرس من جامعة هارفارد بمزيد من العمل على تطوير مذبذب بلوري في هذا الوقت تقريبًا.كان الإنجاز الرئيسي لبيرس هو تصميم مذبذب بلوري متحكم فيه باستخدام أنبوب مفرغ واحد فقط وبدون دوائر مضبوطة بخلاف البلورة نفسها.

خلال أوائل العشرينيات من القرن الماضي ، تقدم تطوير المذبذب البلوري وتكنولوجيا الراديو بشكل مطرد جنبًا إلى جنب.كانت التطبيقات الرئيسية للمذبذبات البلورية خلال هذه الأيام المبكرة تستخدم كمعايير زمنية ولم يتم استخدام المذبذبات البلورية حتى عام 1926 للتحكم في تردد جهاز الإرسال اللاسلكي.تم ذلك في محطة إذاعية WEAF في نيويورك التي كانت مملوكة لشركة AT و T.

حققت Bell Telephone Labs التي كانت جزءًا من AT&T جنبًا إلى جنب مع شركة Marconi في المملكة المتحدة و SEL Germany العديد من التطورات الهامة في تكنولوجيا الكريستال خلال الثلاثينيات.في عام 1934 ، اكتشف السادة لاك وويلارد في مختبرات بيل بلورات AT Cut و BT Cut التي أعطت صناعة الاتصالات تحسينًا كبيرًا لبلورات أداء التردد مقابل درجة الحرارة.

تعد تقنيات الختم والإنتاج المحسّنة جنبًا إلى جنب مع اكتشاف عائلة جديدة من التخفيضات المعوضة للإجهاد من بين بعض التطورات التي تم إحرازها خلال العقد الماضي جنبًا إلى جنب مع عملية ميسا المقلوبة الأحدث وتصغير البلورات والمذبذبات.

تُظهر المواد الكهرضغطية شحنة كهربائية ذات صلة اتجاهية عند تعرضها للضغط ، وعلى العكس من ذلك ، يتسبب تطبيق الشحنة الكهربائية في توليد قوة مرتبطة اتجاهيًا داخل المادة.سيؤدي تطبيق مجال كهربائي متناوب إلى اهتزاز المادة وبالتالي صدى ميكانيكي.يتم تحديد تواتر أي رنين ميكانيكي من خلال الأبعاد المادية للمادة ، و "زاوية القطع" فيما يتعلق بالمحور البلوري للبلورة البلورية الأحادية الأصلية ، ودرجة الحرارة المحيطة وأي تأثيرات تعديل للمكونات الميكانيكية أو الكهربائية المرتبطة بها.

تشمل خصائص الكوارتز المتبلور ثباته الكيميائي والميكانيكي العالي ومعامل درجة الحرارة المنخفضة ، مما يؤدي إلى تغيير طفيف في تردد الرنين لأي تغيير في درجة الحرارة المحيطة ، إلى جانب Q عالية جدًا عند الرنين.يحدث بشكل طبيعي وتم تنفيذ جميع الأعمال التجريبية المبكرة باستخدام الكوارتز الطبيعي المتبلور.

ومع ذلك ، فإن الكوارتز المتبلور الذي يحدث بشكل طبيعي يعاني من شوائب ، فقاعات ، تشققات وتوأمة ، مما يقلل من قيمته للاستخدام في التحكم في التردد لأن هذه تقلل من عامل Q.لذلك تم إنشاء إنتاج الكوارتز الصناعي من أجل إنتاج شكل نقي من الكوارتز البلوري خالي من التوأمة والشوائب.

يتم إنتاج الكوارتز الصناعي في الأوتوكلاف من محلول مشبع من Si O2 عند حوالي 400 درجة مئوية وعند ضغط 1000 كجم / سم 2 لإنتاج محلول مشبع للغاية.

تُعرف عملية تصنيع الكوارتز الاصطناعي بالطريقة الحرارية المائية التي يتم فيها تعليق ألواح البذور المحضرة من الكوارتز الأحادي البلوري الموجه مسبقًا في المحلول المشبع وبتقليل درجة حرارة المحلول ، يتم الحصول على نمو بلورات كبيرة في ظل ظروف يتم التحكم فيها في المختبر. تقليل الشوائب وتعظيم الحجم المفيد للمواد.

معدلات نمو المواد الاصطناعية في حدود 1 مم في اليوم أو أقل لتحقيق أقصى درجات النقاء.يتم إنتاج مرنانات الكوارتز المستخدمة في الدوائر الإلكترونية عن طريق قطع الكوارتز البلوري إلى رقائق (أو فراغات) ، وطلاء الأقطاب الكهربائية على كل جانب من جوانب الرقاقة وإحاطة الرنان بحامل مناسب.تحدد أبعاد رقاقة الكوارتز بشكل أساسي تردد الرنان على الرغم من أن هذا يتأثر أيضًا بحجم وسماكة الأقطاب الكهربائية والدوائر الكهربائية المرتبطة بها.

يعد توجيه "قطع" الرقاقة إلى المحور البصري البلوري أمرًا بالغ الأهمية من أجل تحقيق دقة تردد الرنين ومعامل درجة الحرارة المنخفضة الضروري للتردد لوحدة الرنان النهائية.سينتج "القطع" خصائص التردد / درجة الحرارة التي تكون إما من الدرجة الثانية (تربيعية) أو من الدرجة الثالثة (ثلاثية) ، وبالتالي ستظهر الخصائص نقاط انعطاف مفردة أو مزدوجة.